Đề tài Tổng quan về tự động hoá quá trình sản xuất

Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 1 - Khoa Cơ - Điện Mở đầu 1. Đặt vấn đề B−ớc vào thế kỷ XXI, cuộc cách mạng khoa học và công nghệ hiện đại tiếp tục tác động sâu sắc tới mọi mặt của đời sống xã hội. Phát triển dựa vào khoa học và công nghệ trở nên xu thế tất yếu đối với tất cả các quốc gia trên thế giới. Để thực hiện điều đó Đảng và Nhà n−ớc chủ động ứng dụng khoa học công nghệ hiện đại trong quá trình sản xuất đẩy nhanh công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất n−ớc. Một trong những công nghệ đang đ−ợc sử dụng rộng rãi đó là công nghệ tự động hoá, thuật ngữ này không còn xa lạ với nhiều ng−ời. Tự động hoá đã thâm nhập vào cuộc sống gia đình thông qua các thiết bị bếp núc, công việc nội trợ, bảo vệ … Đặc biệt tự động hoá không thể thiếu trong sản xuất công nghiệp. Nó quyết định đến năng suất, chất l−ợng sản phẩm, khả năng linh động, đáp ứng với các thay đổi nhanh chóng của thị tr−ờng nhằm giữ uy tín với khách hàng và bảo đảm môi tr−ờng sống dây chuyền càng hiện đại thì phế liệu càng ít, ô nhiễm càng giảm. Đó là những tiêu chí mà mọi ngành sản xuất phải đạt tới nhất là khi hoà nhập vào môi tr−ờng cạnh tranh quốc tế. Thực tế cho thấy các quá trình sản xuất còn mang nặng tính thủ, công quy mô nhỏ. Trong mỗi khâu cũng nh− trong toàn bộ quá trình sản xuất, chế biến phải bỏ ra một l−ợng lao động rất lớn mà năng suất và chất l−ợng không cao, không đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các doanh nghiệp. Chính điều đó đã dẫn đến một hiện t−ợng và trở thành phổ biến của một số t− nhân và doanh nghiệp bỏ vốn đầu t− xây dựng, đổi mới công nghệ và trang thiết bị nhằm nâng cao sức cạnh tranh trên thị tr−ờng. Biết rằng sản xuất công nghiệp không cho phép điều khiển các chỉ tiêu một cách “cảm tính” mà phải có một qui trình sản xuất chuẩn mực, đạt hiệu quả kinh tế cao. Để làm đ−ợc điều đó thì chỉ có công nghệ thiết bị hiện đại mới có thể bảo đảm chất l−ợng ổn định, nâng cao năng suất. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 2 - Khoa Cơ - Điện Tuy nhiên công nghệ là “điều kiện cần” cho chất l−ợng. Chỉ có điều hầu hết các dây chuyền thiết bị hiện đại tại các nhà máy xí nghiệp ở n−ớc ta hiện đều ngoại nhập, tiêu tốn một l−ợng ngoại tệ không nhỏ. Điều đó không chỉ xẩy ra đối với n−ớc ta mà kể cả các n−ớc trong khu vực. Việc ứng dụng tự động hoá vẫn còn chậm và yếu ch−a có một định h−ớng rõ ràng, vì vậy việc tiến hành nghiên cứu cơ bản đem ứng dụng và phát triển công nghệ tự động hoá trong các dây chuyền sản xuất góp phần tích cực và trực tiếp vào việc nâng cao và hiện đại hoá dây chuyền sản xuất hiện có để từng b−ớc tăng năng suất, chất l−ợng và hạ giá thành sản phẩm góp phần đ−a nền kinh tế n−ớc ta hội nhập khu vực và thế giới. Tự động hoá thực chất đã là nhân tố quan trọng để cấu thành GDP (Gross Domestic Product) nếu muốn đảm bảo đích thực công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất n−ớc. 2. Mục đích của đề tài ắ Nghiên cứu các dây chuyền sản xuất hiện có trong thực tiễn, từ đó tiến hành thiết kế mô hình điều khiển của một số dây chuyền sản xuất phục vụ cho việc mô phỏng và đ−a ra các ph−ơng pháp điều khiển tối −u ắ ứng dụng phần mềm Simatic S7 - 200 để thành lập ch−ơng trình điều khiển 3. Nội dung của đề tài ắ Tổng quan về Công ty Kính Đáp Cầu ắ Tổng quan về tự động hoá quá trình sản xuất ắ Cơ sở lý thuyết để thiết kế mô hình điều khiển dây chuyền sản xuất kính Cán và kình tấm xây dựng của Công ty kính Đáp Cầu ắ Xây dựng mô hình điều khiển 4. Ph−ơng pháp nghiên cứu ắ Các kết quả nghiên cứu kế thừa - Kế thừa các công trình nghiên cứu của thế hệ tr−ớc về cơ sở lý thuyết Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 3 - Khoa Cơ - Điện của phần mềm lập trình Simatic S7 - 200 - Kế thừa các mô hình sản xuất đã có trong thực tiễn ắ Định h−ớng nghiên cứu - Nghiên cứu các phần mềm lập trình trên máy tính - Thay đổi ph−ơng pháp lập trình để tìm ra các ph−ơng pháp đơn giản, dễ sử dụng và hiệu quả hơn. - Thành lập ch−ơng trình điều khiển. ắ Ph−ơng pháp thực nghiệm kiểm chứng - Chạy thử ch−ơng trình, phát hiện lỗi và hoàn thiện ch−ơng trình ắ Dụng cụ thực hành - Máy tính PC (Personal Computer) - Bộ điều khiển Logic khả trình PLC S7 – 200 - Bộ mô phỏng, cổng truyền thông RS485 và RS232 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 4 - Khoa Cơ - Điện Ch−ơng 1 Tổng quan 1.1. Sự hình thành và phát triển của Công ty kính Đáp Cầu - Bắc Ninh [1] Công ty kính Đáp cầu trực thuộc Tổng công ty Thuỷ tinh và Gốm xây dựng đ−ợc thành lập theo quyết định 162/BXD-TCLĐ ngày 3.3.1990. Lúc đầu đ−ợc gọi là Nhà máy kính Đáp Cầu và theo quyết định số 485/BXD-TCLĐ ngày 30.7.94 đ−ợc đổi tên thành Công ty kính Đáp Cầu. Công ty đ−ợc đặt tại xã Vũ ninh - Thị xã Bắc ninh - Tỉnh Bắc ninh. Nhà máy kính Đáp Cầu đ−ợc khởi công xây dựng từ năm 1986 với thiết bị và kỹ thuật đồng bộ của Liên xô cũ, sau một thời gian thi công xây dựng, năm 1990 nhà máy chính thức đi vào sản xuất. Ngày 17 - 4 - 1990 mét vuông kính đầu tiên ra đời, mở đầu cho ngành công nghiệp sản xuất kính tấm xây dựng ở Việt nam. Kính Đáp Cầu đ−ợc sản xuất theo công nghệ kéo đứng qua thuyền công suất 2,4 triệu m2/năm (tiêu chuẩn 2mm) Nhà máy ra đời trong giai đoạn nền kinh tế của đất n−ớc đang chuyển dần sang nền kinh tế thị tr−ờng. V−ợt qua bao khó khăn thử thách cán bộ và công nhân viên nhà máy Kính đáp cầu đã làm chủ đ−ợc công nghệ khi các chuyên gia Liên xô cũ rút về n−ớc. Nhà máy đã đi lên, phát triển và đầu t− mở rộng sản xuất, thay đổi công nghệ hiện đại hơn. Cụ thể Công ty đã đầu t− 62 tỷ đồng để mở rộng lò nấu, trang bị thêm một máy kéo kính nâng công suất lên 3,8 triệu m2/năm (tiêu chuẩn 2mm). Với chức năng nhiệm vụ chính là sản xuất kính tấm xây dựng, Công ty luôn cung cấp cho thị tr−ờng những sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất l−ợng. Các sản phẩm của công ty đã đạt nhiều huy ch−ơng vàng trong các kỳ triển lãm hàng công nghiệp Việt nam. Ngoài sản xuất kính tấm xây dựng, năm 1993 Công ty xây dựng một dây chuyền sản xuất kính an toàn theo công nghệ của Cộng hoà liên bang Đức. Năm 1996 đầu t− xây dựng dây chuyền kính g−ơng và kính phản quang. Năm Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 5 - Khoa Cơ - Điện 1998 nhận thêm dây chuyền sản xuất tấm lợp Amiăng (do Công ty bạn không đảm đ−ơng đ−ợc) công suất 1 triệu m2/năm. Năm 2002 Công ty đầu t− xây dựng Nhà máy kính cán - kính tấm kéo ngang công suất 6,4triệu m2/năm. Trải qua hơn 10 năm tồn tại và phát triển, Công ty kính Đáp Cầu đã đạt đ−ợc nhiều thành tích trong sản xuất kinh doanh, cụ thể: - Về sản l−ợng và chất l−ợng các sản phẩm của Công ty sản xuất ra đều v−ợt công suất thiết kế của thiết bị từ 5 - 26%. Đạt tiêu chuẩn chất l−ợng loại A > 90%. - Về doanh thu: Từ 36.126 triệu đồng năm 1991, năm 2002 doanh thu đạt 131.000 triệu đồng, năm 2003 doanh thu đạt 135.000 triệu đồng v−ợt năm 5 - 26% so với kế hoạch. - Tốc độ tăng tr−ởng bình quân 11% năm. Thu nộp ngân sách đầy đủ. - Hiệu quả sản xuất kinh doanh hàng năm đều có lãi. Năm 2002 lãi 9,4 tỷ năm 2003 lãi 11 tỷ, thu nhập bình quân năm đạt 1360.000đ/ng−ời/tháng. Trong quá trình sản xuất kinh doanh của Công ty có những thuận lợi và khó khăn sau: Thuận lợi: Công ty đ−ợc sự chỉ đạo đúng đắn của Tổng công ty Thuỷ tinh và Gốm Xây dựng, sự giúp đỡ tận tình của địa ph−ơng nơi đặt trụ sở và đ−ợc sự hỗ trợ của các chính sách Nhà n−ớc. Khó khăn: Thiết bị máy móc lạc hậu, công nghệ kéo đứng tốn nhiều chi phí ảnh h−ởng đến giá thành, làm ảnh h−ởng tới tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị tr−ờng. Công tác tiêu thụ sản phẩm tuy có sự cạnh tranh với kính ngoại nhập lậu, kính liên doanh Việt - Nhật và một số công ty kính của t− nhân khác. Nh−ng với sự nỗ lực phấn đấu của đội ngũ nhân viên bán hàng và tiếp thị, sản phẩm của công ty vẫn đ−ợc tiêu thụ ở khắp nơi và mọi miền trong n−ớc. Với những khó khăn nh− vậy nh−ng nhờ có sự lãnh đạo đúng đắn của lãnh đạo Công ty cùng sự đoàn kết gắn bó của tập thể công nhân viên, năm Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 6 - Khoa Cơ - Điện 2000 công ty kính Đáp Cầu đ−ợc Nhà n−ớc phong tặng danh hiệu Anh hùng lao động trong thời kỳ đổi mới. Định h−ớng phát triển: Để định h−ớng cho việc nghiên cứu và phát triển sản xuất, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội về nhiều mặt nói chung và về các sản phẩm kính và thuỷ tinh trong thời kỳ mới, thời kỳ hoà nhập với nền kinh tế chung của khu vực. Công ty kính Đáp Cầu dự kiến kế hoạch đầu t− xây dựng trong giai đoạn 2005 - 2010. Mở rộng phát triển sản xuất với việc xây dựng nhà máy g−ơng cao cấp, nhà máy sản xuất Frit men 3000t/năm ở Bình D−ơng và nhà máy kính Float 350t/ngày ở Đáp Cầu. 1.2. Vai trò của ngành công nghiệp sản xuất kính [1] Trong một nền kinh tế phát triển lành mạnh, có sức cạnh tranh và đạt hiệu quả cao, vai trò của ngành công nghiệp sản xuất kính có vị trí đặc biệt quan trọng. Cách đây không lâu, ngành công nghiệp sản xuất kính ở Việt Nam còn phát triển chậm và yếu với qui mô nhỏ nh−ng cho đến nay hàng trăm nhà máy kính đã xuất hiện ở khắp mọi nơi. Điều đó khẳng định vai trò và vị trí của nó trong mọi mặt của đời sống xã hội. Việc đ−a vào vận hành dây chuyền sản xuất kính có một vai trò to lớn trong tiến trình phát triển và mở rộng sản xuất của công ty Kính Đáp Cầu. Sản phẩm kính với nhiều chủng loại khác nhau, mỗi loại mang trong mình những ứng dựng lớn trong cuộc sống. Dần dần chiếm lĩnh thị tr−ờng thay thế một cách hiệu quả với chi phí thấp hơn so với một số sản phẩm cùng loại, đồng thời tôn thêm vẻ đẹp của các công trình kiến trúc lên nhiều lần. Khi mà sản phẩm gỗ ngày càng kạn kiệt với giá thành cao khả năng mở rộng ứng dụng lớn dần đ−ợc thay thế, phần nào giải quyết đ−ợc vấn đề kạn kiệt tài nguyên thiên nhiên. Sản phẩm chính của Công ty là kính, với trên 20 loại sản phẩm khác nhau: - Kính tấm xây dựng: là loại kính phẳng, trong suốt. Đ−ợc sản xuất theo ph−ơng pháp Foucault cải tiến trên hệ thống thiết bị hiện đại của Nga và Hàn Quốc. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 7 - Khoa Cơ - Điện - Kính phản quang: Đ−ợc sản xuất theo ph−ơng pháp điện tử, các ion kim loại sau khi bắn phá trong tr−ờng điện từ mạnh, sẽ bám đều vào bề mặt tấm kính tạo nên một lớp phủ bền chắc, chịu đ−ợc mọi sự tác động của thời tiết với khả năng phản xạ tới 60% năng l−ợng ánh sáng mặt trời, ngăn chặn tia sáng có hại nh− tia tử ngoại, tia cực tím, bảo đảm cho không khí trong phòng đ−ợc dịu mát và trong lành. Kính phản quang Đáp Cầu có nhiều màu sắc, màu xanh lam , xanh lục, xanh rêu, màu trà, màu bạc… và nhiều màu sắc khác, tuỳ theo yêu cầu của khách hàng. Chất l−ợng kính phản quang đ−ợc đảm bảo theo tiêu chuẩn quốc tế đáp ứng mọi yêu cầu của khách hàng. - Sản phẩm kính an toàn: Đ−ợc sản xuất theo ph−ơng pháp tôi nhiệt trên hệ thống thiết bị hiện đại của công hoà liên bang Đức và Nhật Bản. Sản phẩm kính an toàn có độ bền gấp 4 - 5 lần so với kính th−ờng, chịu đ−ợc độ rung lớn, va đập mạnh, độ bền nhiệt cao, khi vỡ tạo thành mảnh nhỏ, không sắc cạnh, không gây nguy hiểm cho ng−ời sử dụng, đ−ợc dùng làm cửa sổ, cửa ra vào, kính quan sát trong các lò công nghiệp, kính đèn chiếu sáng đô thị… sản phẩm kính an toàn đ−ợc sử dụng rộng rãi cho các ph−ơng tiện giao thông vận tải. - Sản phẩm kính mờ: Đ−ợc sản xuất bằng cách làm mờ mặt kính tạo cho ánh sáng xuyên qua thành tán xạ, dịu mát, không nhìn xuyên qua đ−ợc, sản phẩm kính mờ có độ bền cao, đẹp thoả mãn yêu cầu về sử dụng đặc biệt là trong trang trí nội thất. - Sản phẩm g−ơng: Đ−ợc sản xuất theo ph−ơng pháp phủ kim loại trong chân không lớp phủ đều, bền chắc có chiều dày lớn, hệ số phản xạ lớn hơn 77%, lớp sơn bảo vệ cứng, bền có khả năng bảo vệ lớp phủ trong mọi điều kiện thời tiết, cho hình ảnh trong sáng trung thực. - Sản phẩm bông thuỷ tinh: - Sản phẩm bông khoáng: - Sản phẩm kính dán: Các tấm kính đ−ợc dán sơ bộ với nhau bằng lớp Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 8 - Khoa Cơ - Điện keo PVB ở nhiệt độ 300 - 700C đ−ợc dán và ép chặt trong thiết bị nồi hấp có áp lực 15bar, nhiệt độ 1500C. - Sản phẩm kính cắt, mài: - Sản phẩm kính bảo ôn (kính cách âm, cách nhiệt): Đ−ợc sản xuất theo ph−ơng pháp tạo rộng giữa hai tấm kính bằng khung nhôm, bên ngoài khung nhôm có bơm keo Silicol để gắn kết các tấm kính với nhau, khoảng rỗng giữa hai tấm kính tạo chân không hoặc Nitơ. Từ những −u điểm nổi bật của sản phẩm kính chúng ta có thể khẳng định rằng việc sản xuất kính là yêu cầu cấp thiết đối với sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất kính. Để đảm bảo đ−ợc điều đó thì chỉ có công nghệ hiện đại mới có thể đảm đ−ơng đ−ợc, trong đó công nghệ tự động hoá đóng vai trò đặc biệt quan trọng. 1.3. Vai trò của ngành Tự động hoá [2] 1.3.1. Sự hình thành và phát triển của ngành tự động hoá Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành điện tử và công nghệ thông tin, các hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất cũng có những b−ớc tiến v−ợt bậc. Ngoài các dạng hệ điều khiển truyền thống, còn xuất hiện thêm các dạng hệ mới, ngày càng đáp ứng tốt hơn yêu cầu công nghệ. Trong những năm gần đây, các n−ớc có nền công nghiệp phát triển tiến hành rông rãi tự động hoá trong sản xuất loại nhỏ. Điều này phản ánh xu thế chung của nền kinh tế thế giới từ sản xuất loại lớn và hàng khối sang sản xuất loại nhỏ và hàng khối thay đổi. Nhờ các thành tựu to lớn của công nghệ thông tin và các lĩnh vực khoa học khác, ngành công nghiệp gia công cơ của thế giới trong những năm cuối của thế kỷ XX đã có sự thay đổi sâu sắc. Sự xuất hiện của một loạt các công nghệ mũi nhọn nh− kỹ thuật linh hoạt (Agile Engineening) hệ điều hành sản xuất qua màn hình (Visual Manufacturing System) kỹ thuật tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping) công nghệ Nanô đã cho phép tự động hoá toàn phần không chỉ trong sản xuất hàng khối mà còn trong Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 9 - Khoa Cơ - Điện sản xuất loại nhỏ và đơn chiếc. Chính sự thay đổi nhanh của sản xuất đã liên kết chặt chẽ công nghệ thông tin với công nghệ chế tạo máy, làm xuất hiện một loạt các thiết bị và hệ thống tự động hoá hoàn toàn mới nh− các loại máy móc điều khiển số, các trung tâm gia công, các hệ tống điều khiển theo ch−ơng trình lôgic PLC (Programmable Logic Control), các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexble Manufacturing Systems), các hệ thống sản xuất tích hợp CIM (Computer Integadted Manufacturing) cho phép chuyển đổi nhanh sản phẩm gia công với thời gian chuẩn bị sản xuất ít, rút ngắn chu kỳ sản phẩm, đáp ứng tốt tính thay đổi nhanh của sản phẩm hiện đại. Về mặt kỹ thuật, lý thuyết điều khiển tự động hoá phát triển qua 3 giai đoạn: Giai đoạn 1: Cho đến những năm 1940. Trong giai đoạn này cơ sở lý thuyết điều khiển tự động đ−ợc hình thành. Khi đó các ph−ơng pháp khảo sát hệ “một đầu vào, một đầu ra - Siso” nh−: Hàm truyền và biểu đồ Bode để khảo sát đáp ứng tần số và ổn định; biểu đồ Nyquist và dự trữ độ lợi/pha để phân tích tính ổn định của hệ kín. Vào cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 ph−ơng pháp đồ thị thực nghiệm của Evans đã đ−ợc hoàn thiện. Giai đoạn này đ−ợc coi là “điều khiển cổ điển”. Giai đoạn 2: Xung quanh những năm 1960, là giai đoạn phát triển của kỹ thuật điều khiển đ−ợc gọi là “điều khiển hiện đại” (Modern control). Hệ kỹ thuật ngày càng trở lên phức tạp, có “nhiều đầu vào, nhiều đầu ra - MIMO”. Để mô hình hoá thuộc dạng này phải cần đến một tập các ph−ơng trình mô tả mối liên quan giữa các trạng thái của hệ. Và ph−ơng pháp điều khiển bằng biến trạng thái đ−ợc hình thành. Cũng trong thời gian này, lý thuyết điều khiển tối −u có những b−ớc phát triển lớn dựa trên nền tảng nguyên lý cực đại của Poltryagin và lập trình động lực học của Bellman. Đồng thời, học thuyết Kalman đ−ợc hoàn thiện và nhanh chóng trở thành công cụ chuẩn, đ−ợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực để −ớc l−ợng trạng thái bên trong của hệ từ tập nhỏ tín hiệu đo đ−ợc. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 10 - Khoa Cơ - Điện Giai đoạn 3: Giai đoạn “điều khiển bền vững” đ−ợc bắt đàu từ những năm 1980. ứng dụng những thành tựu của toán học, các nghiên cứu về điều khiển đã đ−a ra đ−ợc các ph−ơng pháp thiết kế bộ điều khiển để một hệ kỹ thuật vẫn đảm bảo đ−ợc kỹ năng sử dụng khi có tác động của nhiễu và sai số. Trong hai thập kỷ cuối, nhiều nhánh mới về điều khiển cũng đã hình thành, đó là: thích nghi, phi tuyến, hỗn hợp, mờ, neural. 1.3.2. Thành tựu và kết quả mang lại do áp dụng tự động hoá [3] - Dẫn h−ớng và điều khiển thiết bị trong không gian, bao gồm máy bay dân dụng, tên lửa, máy bay chiến đấu, tàu vận tải, vệ tinh …Hệ thống điều khiển này đã đảm bảo đ−ợc tính ổn định và chính xác d−ới tác động của nhiễu và môi tr−ờng và chính hệ thống. - Hệ điều khiển trong sản xuất công nghiệp, từ máy tự động đến mạch tích hợp. Những thiết bị điều khiển bằng máy tính đã có độ chính xác định vị trí và lắp ráp rất cao để tạo ra nhiều sản phẩm co chất l−ợng tốt. Ví dụ: Hệ thống điều khiển cấp liệu liên tục để sản xuất phân lân NPK. Đây là dây chuyền sản xuất NPK điều khiển tự động hoàn toàn và hiện đại ở Việt Nam, với giá thành bằng 1/3 sản phẩm ngoại nhập khi đ−a dây chuyền vào sử dụng tại công ty phốt phát Lâm Thao hệ thống dã tạo điều kiện cho cơ sở sản xuất giảm số ng−ời lao động từ 300 ng−ời xuống 8 ng−ời, việc sử dụng và dịch vụ đơn giản hơn. - Hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp, ví dụ trong quá trình sản xuất Hydrocacbon và nhiều chất hoá học khác. Hệ điều khiển này xử lí hàng ngành thông tin lấy từ cảm biến để điều khiển hàng trăm cơ cấu chấp hành: van, cấp nhiệt, bơm …để cho sản phẩm với yêu cầu khắt khe về tính năng kỹ thuật. Ví dụ: Hệ thống đo l−ờng, giám sát và điều khiển các thông số môi tr−ờng đ−ợc thiết kế trên cơ sở PLC, one - chip, giao diện ng−ời máy (HMI) khả năng xử lý tới 16 trạm làm việc phân tán trong mạng với tổng số các Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 11 - Khoa Cơ - Điện thông số đo cho phép xử lý lên tới 2048 điểm và khả năng phát triển mở rộng với số l−ợng trạm làm việc và số l−ợng các thông số đo khi cần thiết trong các ứng dụng lớn. - Điều khiển hệ truyền thông, bao gồm: hệ thống điện thoại và Internet. Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ kiểm soát mức năng l−ợng đầu vào, đầu ra và khi truyền dẫn, thông báo những sự cố đa dạng, phức tạp th−ờng xẩy ra trong truyền thông. 1.3.3. Công nghệ thông tin với tự động hoá [2] Công nghiệp luôn gắn với tự động hoá từ thuở sơ khai, khi đó công nghệ TĐH phát triển trên nền tảng kỹ thuật Analog. Vài chục năm trở lại đây các thiết bị tính toán tốc độ cao ra đời, kỹ thuật số ứng dụng trong tự động hoá đã cho phép thay thế hầu hết những bộ điều khiển cứng x−a kia bằng thiết bị số và phần mềm điều khiển. Các thiết bị thu thập và xử lý số liệu ngày càng đ−ợc ứng dụng rộng rãi, cấu thành những hệ thông minh điều khiển xử lí hàng chục ngàn tín hiệu vào/ra. Khái niệm tin học công nghiệp (Industrial IT) đã chính thức khẳng định vai trò của công nghệ thông tin trong tự động hoá. Tin học công nghiệp bao gồm phần cứng, phần mềm, thiết bị mạng và cả Internet. Các hệ thống tự động hoá đã đ−ợc chế tạo trên nhiều công nghệ khác nhau. Ta có thể thấy các thiết bị máy móc tự động bằng các cam, chốt cơ khí, các hệ thống tự động hoạt động bằng nguyên lý khí nén, thuỷ lực, rơle cơ điện, mạch điện tử t−ơng tự, mạch điện tử số… Các thiết bị hệ thống này có chức năng xử lí và mức độ tự động thấp so với các hệ thống tự động hiện đại đ−ợc xây dựng trên nền tảng của công nghệ thông tin. Trong khi các hệ thống tin học sử dụng máy tính để hỗ trợ và tự động hoá quá trình quản lý, thì các hệ thống điều khiển tự động dùng máy tính để điều khiển và tự động hoá quá trình công nghệ. Chính vì vậy các thành tựu của công nghệ phần cứng và công nghệ phần mềm của máy tính điện tử đ−ợc áp dụng và phát triển một cách có chọn lọc và hiệu quả cho các hệ thống điều khiển tự động. Và sự phát triển nh− vũ báo của công nghệ thông tin kéo theo Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 12 - Khoa Cơ - Điện sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hoá. Ta có thể thấy quá trình công nghệ tin học thâm nhập vào từng phần tử, thiết bị thuộc lĩnh vực tự động hoá nh− đầu đo cơ cấu chấp hành, thiết bị giao diện với ng−ời vận hành thậm chí vào cả rơle, Contactor, nút bấm mà tr−ớc kia làm bằng cơ khí. Tr−ớc kia đầu đo gồm phần tử biến đổi từ tham số đo sang tín hiệu điện, mạch khuyếch đại, mạch lọc và mạch biến đổi sang chuẩn 4 - 20mA để truyền tín hiệu đo về trung tâm xử lí. Hiện nay đầu đo đã đ−ợc tích hợp chíp vi xử lí, biến đổi ADC, bộ truyền dữ liệu số với phần mềm đo đạc, lọc số, tính toán và truyền kết quả trên mạng số về thẳng máy tính trung tâm. Nh− vậy đầu đo đã đ−ợc số hoá và ngày càng thông minh do chức năng xử lý từ máy tính trung tâm tr−ớc kia nay đã đ−ợc chuyển xuống xử lý tại chỗ bằng ch−ơng trình nhúng trong đầu đo. T−ơng tự nh− vậy cơ cấu chấp hành nh− môtơ đã đ−ợc chế tạo gắn kết hữu cơ với cả bộ servo với các thuật toán điều chỉnh PID (Proportional Integral Derivative) tại chỗ và khả năng nối mạng số tới máy chủ. Các tủ rơle điều khiển chiếm diện tích lớn trong các phòng điều khiển nay đ−ợc co gọn trong các PLC (Programmable Logic Controller). Các bàn điều khiển với hàng loạt đồng hồ chỉ báo, các phím, nút điều khiển, các bộ tự ghi trên giấy cồng kềnh nay đ−ợc thay thế bằng một vài PC (Personal Computer). Hệ thống cáp truyền tín hiệu Analog 4 - 20mA, 10V từ các đầu đo cơ cấu chấp hành về trung tâm điều khiển bằng nhịp tr−ớc đây đã đ−ợc thay thế bằng vài cáp đồng trục hoặc cáp quang truyền dữ liệu số. Có thể nói Rơle Bán dẫn PLC Hệ ĐK phân cấp Hệ ĐK phân tần Hệ tự tổ chức 1930 40 50 60 70 80 90 2000 100 102 104 106 108 1010 Hình 1.1: Đồ thị biểu diễn chức năng xử lí ở các hệ thống TĐH trong 70 năm Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 13 - Khoa Cơ - Điện công nghệ thông tin “chiếm phần ngày càng nhiều” vào các phần tử, hệ thống tự động hoá. 1.4. Mục đích và ý nghĩa của việc thiết kế mô hình điều khiển Hiện đại hoá nền công nghiệp sản xuất kính nằm trong mối quan tâm chung của công cuộc xây dựng một nền công nghiệp vững mạnh. Làm sao mang đến cho ng−ời tiêu dùng những sản phẩm chất l−ợng cao là mục tiêu của bất cứ doanh nghiệp nào cũng h−ớng tới. Nh−ng hiện nay, nhiều nhà máy sản xuất kính ở Việt Nam việc vận hành điều khiển công nghệ vẫn phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố con ng−ời. Trong tình hình hội nhập của khu vực, việc cải tiến công nghệ đ−a các hệ điều khiển để nâng cao năng suất, giảm giá thành là xu thế tất yếu. Vì vậy, việc đào tạo và phát triển nhân lực là nhiệm vụ hàng đầu trong những năm tới của ngành tự động hoá nói chung và ngành công nghiệp sản xuất kính nói riêng, với mục đích chính để các sinh viên ra tr−ờng có thể nắm bắt và làm việc đ−ợc ngay khi đã đ−ợc trang bị kiến thức thực tế. Phần nào xoá bỏ khoảng cách từ lý thuyết đến thực hành hiện đang là vấn đề cần quan tâm làm cho sinh viên không bị bỡ ngỡ tr−ớc khi b−ớc vào giai đoạn thực tập tốt nghiệp thậm chí cả lúc ra tr−ờng làm việc. Chính vì vậy, chúng tôi tiến hành nghiên cứu tìm hiểu thiết kế mô hình điều khiển dây chuyền sản xuất kính. Với mục đích điều khiển lò nung thuỷ tinh và thực hiện quá trình cắt băng kính, mô hình hoàn chỉnh có thể phục vụ tốt cho công tác dảng dạy mà cụ thể là dạy về ứng dụng và lập trình PLC. Sinh viên có thể hiểu đ−ợc vấn đề lập trình PLC dễ dàng hơn. 1.5. Kết luận ch−ơng 1 Cuộc cách mạng khoa học và công nghệ hiện đại làm xuất hiện và ngày càng mở rộng một nền công nghệ mới, công nghệ tự động hoá một nền sản xuất với kỹ thuật cao làm thay đổi ph−ơng thức lao động, tổ chức và lối sống của con ng−ời. Tiềm lực mạnh về khoa học và công nghệ đang là một lợi thế Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 14 - Khoa Cơ - Điện cạnh tranh rất đáng kể của các n−ớc đang phát triển. Khoa học và công nghệ ngày càng đóng vai trò quan trọng đối với sự tăng tr−ởng kinh tế của mỗi n−ớc. Ngay nay khi đánh giá sức mạnh của một quốc gia, bên cạnh những chỉ số truyền thống khác, ng−ời ta còn căn cứ vào năng lực khoa học và công nghệ nh− là một trong những chỉ tiêu đặc biệt quan trọng. Qua nghiên cứu tổng quan chúng tôi thấy đ−ợc mục đích và ý nghĩa to lớn của việc sản xuất kính đối với nhà máy kính Đáp Cầu. Đặc biệt hơn, việc ứng dụng tự động hoá vào điều khiển một dây chuyền sản xuất kính có qui mô lớn, hiện đại là yêu cầu không thể thiếu trong sản xuất công nghiệp. Trên cơ sở kế thừa dây chuyền hiện có và những định h−ớng phát triển của Nhà máy là tiền đề hết sức quan trọng để chúng tôi tiến hành nghiên cứu và thiết kế dây chuyền công nghệ mới phù hợp với yêu cầu sản xuất ngày càng cao của Công ty. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 15 - Khoa Cơ - Điện Ch−ơng 2 Xây dựng thuật toán điều khiển dây chuyền sản xuất kính Khi nói tới việc giải quyết bài toán trên máy tính điện tử, ng−ời ta chỉ chú ý tới giải thuật (algorithms). Đó là một dãy các câu lệnh (Statemments) chặt chẽ và rõ ràng xác định một trình tự các thao tác trên một số đối t−ợng nào đó sao cho sau một số hữu hạn b−ớc thực hiện ta đạt đ−ợc kết quả mong muốn. Các bài toán giải đ−ợc trên máy tính điện tử ngày càng đa dạng và phức tạp. Các thuật toán (giải thuật) và ch−ơng trình để giải chúng cũng ngày càng có qui mô lớn và càng khó khi thiết lập cũng nh− khi muốn tìm hiểu. Tuy nhiên, ta cũng thấy rằng mọi việc sẽ đơn giảm hơn nếu nh− có thể phân chia bài toán lớn thành các bài toán nhỏ. Điều đó cũng có nghĩa là nếu coi bài toán của ta nh− một module chính thì cần chia chúng thành các module con, và dĩ nhiên với việc làm nh− thế, đến l−ợt nó, mỗi module lại đ−ợc phân chia tiếp cho tới những module ứng với các phần việc cơ bản mà ta biết cách giải quyết. Nh− vậy việc tổ chức lời giải (thuật toán) của bài toán sẽ đ−ợc thể hiện theo một cấu trúc phân cấp hay theo một sơ đồ cấu trúc nào đó. 2.1. Công nghệ sản xuất kính [1] Thành lập năm 1986, Công ty kính Đáp Cầu trải qua chặng đ−ờng 18 năm xây dựng và tr−ởng thành tập thể lãnh đạo, đội ngũ cán bộ công nhân viên Công ty kính Đáp Cầu bằng mồ hôi và sức lao động sáng tạo đã viết lên những thành tựu đáng khích lệ, góp phần đ−a ngành công nghiệp sản xuất kính tấm xây dựng ở Việt Nam hoà nhập với khu vực và thế giới. Để đứng vững và phát triển trong xu thế cạnh tranh của kinh tế thị tr−ờng. Công ty không ngừng đầu t− phát triển mở rộng sản xuất, thay đổi công nghệ hiện đại. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng, Công ty không ngừng mở rộng quan hệ với mọi thành phần kinh tế trong n−ớc và n−ớc ngoài thực hiện liên doanh, liên kết đẩy mạnh sản xuất phát triển, đa dạng hoá mặt hàng Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 16 - Khoa Cơ - Điện đảm bảo chất l−ợng sản phẩm và dịch vụ tốt nhất nhằm thoả mãn nhu cầu và mong đợi của khách hàng. Năm 2002 Công ty quyết định đầu t− xây dựng nhà máy Kính cán - Kính tấm kéo ngang công suất 6,4 triệu m2/năm theo công nghệ của V−ơng quốc Bỉ. Nh−ng để đảm bảo tối −u về mặt kinh tế Công ty đã mời thầu nhà thầu Trung Quốc tiến hành xây lắp dây chuyền sản xuất Kính cán và Kính tấm kéo ngang. Sau thời gian thi công xây dựng nhà máy chính thức đi vào sản xuất, cung cấp cho thị tr−ờng những sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất l−ợng. - Sản phẩm kính cán trắng và kính cán màu có chiều dày 3 - 8mm (có 3 loại màu: xanh lá cây, xanh gia trời, màu trà) với nhiều loại văn hoa sắc nét phù hợp với tiêu chuẩn Đức DIN EN572-5. - Sản phẩm kính tấm kéo ngang và màu có chiều dày 2 - 10mm (có 3 loại màu: xanh lá cây, xanh gia trời, màu trà) phù hợp với tiêu chuẩn Trung Quốc GB4871 - 1995. Sản phẩm đ−ợc sử dụng rộng rãi trong xây dựng và trang trí nội thất: làm cửa sổ, cửa đi, mặt bàn, tủ t−ờng, quầy hàng, mặt kính đồng hồ kỹ thuật và nhiều công dụng khác. Kính Đáp cầu luôn thoả mãn yêu cầu chất l−ợng theo tiêu chuẩn TC 08 - 94 t−ơng đ−ơng với tiêu chuẩn KSL 2004 - 86 của Hàn Quốc, đ−ợc khách hàng cả n−ớc chấp nhận và tin dùng. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 17 - Khoa Cơ - Điện ắ Sơ đồ công nghệ Kính l−ới Bẻ ngang thủ công Bẻ biên thủ công Kính thành phẩm Máy nạp liệu kiểu thảm nghiêng Lò bể nấu thuỷ tinh Vùng thắt Kênh dẫn Cửa chảy tràn kính cán Buồng tạo hình kính phẳng Máy cán kính Giàn con lăn chuyển tiếp Lò ủ Cắt dọc Thiết bị đo độ dài Cắt ngang Bẻ ngang Giàn con lăn tăng tốc Bẻ biên Đập vụn Kính thành phẩm Con lăn chuyển h−ớng Buồng kéo phẳng Lò ủ Cắt dọc Cắt ngang Bẻ ngang Bẻ mép Kính thành phẩm Đập vụn Băng tải dải kính vụn Hình2.2: Sơ đồ công nghệ dây chuyền sản xuất kính Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 18 - Khoa Cơ - Điện Do yêu cầu công nghệ của việc điều khiển và thực tế thiết bị điều khiển hiện có. Chúng tôi tiến hành chia qui trình công nghệ làm 3 giai đoạn t−ơng ứng với 3 quá trình điều khiển. Việc phân chia bài toán điều khiển lớn thành các bài toán điều khiển nhỏ, nh− thế không phải là một việc làm dễ dàng. Chính ph−ơng pháp này đã tách bài toán điều khiển ra thành các phần độc lập tạo điều kiện cho việc giải quyết bài toán trở nên hoàn thiện hơn, dễ sử dụng và sửa chữa chỉnh lý dễ dàng hơn. Giai đoạn 1: ắ Điều khiển quá trình nấu thuỷ tinh: - Thiết bị nhập: Cảm biến nhiệt độ và thiết bị xác định mức thuỷ tinh lỏng - Thiết bị xuất: Hệ thống cấp nhiệt, quạt làm mát và hệ thống nạp liệu Giai đoạn 2: ắ Điều khiển quá trình sản xuất kính tấm kéo ngang: - Thiết bị nhập: Hệ thống cảm biến phát hiện và công tắc hành trình - Thiết bị xuất: Hệ thống con lă n kéo mép, bằng chuyền và các cơ cấu dao cắt Giai đoạn 3: ắ Điều khiển quá trình sản xuất kính cán: + Thiết bị nhập: Hệ thống cảm biến phát hiện và công tắc hành trình + Thiết bị xuất: Hệ thống máy cán, bằng chuyền và các cơ cấu dao cắt 2.2. Công nghệ nấu thuỷ tinh (giai đoạn 1) 2.2.1. Yêu cầu công nghệ [1] Khi hệ thống lò đốt bắt đầu hoạt động (lò bể nấu thuỷ tinh). Cơ cấu lò đốt gồm 4 mỏ đốt để phun dầu và không khí đốt vào trong lò. Để tránh quá nhiệt một bên lò thực hiện việc đổi chiều ngọn lửa, sau 20 phút đổi chiều một lần. Sử dụng ống nhánh đổi chiều dùng van điện từ năm nhánh. Quá trình này đ−ợc khống chế bởi một khoảng nhiệt độ trong lò là 1100 ± 50C chế độ điều khiển nhiệt độ chính là bảo đảm việc phân bố nhiệt độ theo suốt chiều dài của lò. Trong quá trình nấu chảy nếu nh− chế độ nhiệt độ không hợp lý hoặc không ổn định thì sẽ gây ra sự mất cân bằng cho một loạt các khâu thao tác, ảnh Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 19 - Khoa Cơ - Điện h−ởng nghiêm trọng đến chất l−ợng thuỷ tinh. Sau khi nhiệt độ trong lò đ−ợc ổn định thì hai máy nạp liệu kiểu thảm máng nghiêng hoạt động. Qua hộp giảm tốc, khớp lệch tâm làm tay biên đẩy máy chứa phối liệu của máy nạp liệu đầu lò chuyển động tịnh tiến đẩy phối liệu vào trong lò thành từng lớp mỏng nhằm bảo đảm cho mức thuỷ tinh luôn ổn định. Quá trình nạp phối liệu phụ thuộc vào mức thuỷ tinh lỏng cao hay thấp, nếu thấp thì tiến hành nạp liệu ng−ợc lại thì dừng hệ thống. Nạp phối liệu là một trong các khâu công nghệ quan trọng của quá trình nấu thuỷ tinh, việc nạp phối liệu có đ−ợc chính xác hay không sẽ ảnh h−ởng đến tốc độ nấu chảy của phối liệu, vị trí của vùng nấu, độ dao động của nhiệt độ nấu, tính ổn định giữa mức thuỷ tinh lỏng và giới hạn g−ơng. Sử dụng hệ thống đo và điều khiển mức thuỷ tinh lỏng bằng laze nhằm đảm bảo tới độ đồng nhất mức thuỷ tinh lỏng, giảm mức độ ăn mòn đối với phối liệu chịu lửa ở thành lò và tính ổn định của dòng thuỷ tinh. Do đó, mức thuỷ tinh lỏng đ−ợc giữ ổn định. Sử dụng hệ thống tự động đo và điều khiển mức thuỷ tinh lỏng để khống chế mức thuỷ tinh lỏng thì nó sẽ cung cấp tín hiệu về số liệu mức chuyển đến bộ điều khiển nạp phối liệu, nhằm tự động điều khiển l−ợng nạp phối liệu, từ đó ổn định mức thuỷ tinh lỏng. 2.2.2. Xây dựng sơ đồ thuật toán để tiến hành điều khiển hoặc giám sát quá trình thực, chúng tôi tiến hành xây dựng thuật toán của ch−ơng trình điều khiển bằng PLC. Bắt đầu Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 20 - Khoa Cơ - Điện Hoạt động của hệ thống: Hệ thống bắt đầu hoạt động, phối liệu từ Bunke nạp liệu đầu lò chuyển động tịnh tiến vào lò. Khi mức thuỷ tinh h 0,7 ±0,002m dừng máy nạp liệu. Hệ thống cấp nhiệt bên phải lò hoạt động sau 20 phút hệ thống cấp nhiệt bên trái lò hoạt động và quá trình này diễn ra liên tục. Thực hiện việc điều khiển nhiệt độ bằng quạt thông gió, khi T0 < 1100 ± 50C tắt quạt thông gió và ng−ợc lại khi T0 < 1100 ± 50C mở quạt thông gió. Kết thúc quá trình điều khiển. Việc điều khiển nhờ vào việc liên tục thu thập các giá trị đầu vào đó chính là các đầu đo nhiệt độ, thiết bị đo mức thuỷ tinh. Từ các giá trị thu thập đ−ợc đem so sánh với các thông số của ch−ơng trình đã đ−ợc lập tại thời điểm đó xem có đúng hay không. nếu ch−a đúng sẽ lệnh cho các đầu ra thực thi những nhiệm vụ sao cho giá trị đầu vào thu đ−ợc nh− quy định. Các đầu ra điều Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 21 - Khoa Cơ - Điện khiển dùng để điều khiển các động cơ. 2.3. công nghệ sản xuất kính tấm kéo ngang (Giai đoạn 2) 2.3.1. Yêu cầu công nghệ [1] Nhấn nút khởi động “ON” để khởi động dàn con lăn kéo ngang, dàn con lăn này đ−ợc truyền động bằng động cơ điện 3 pha (trong đó có một động cơ dự phòng). Sau khoảng thời gian 5 phút thuỷ tinh lỏng đ−ợc kéo lên bằng hệ thống truyền động con lăn của bộ kéo mép lúc này băng kính đi vào buồng kéo phẳng và chuyển đến lò ủ. để đảm bảo cho băng kính không bị nguội nhanh trong lò ủ gây ra tình trạng chênh lệch nhiệt độ làm cho băng kính sinh ra ứng suất lớn đẫn đến hiện t−ợng kính bị nứt hoặc khó cắt và thực hiện làm nguội băng kính bằng dòng không khí đối l−u trực tiếp trong phòng. Sau 3 phút băng kính ra khỏi lò ủ, lúc này dàn dao cắt dọc đ−ợc hạ xuống với kích th−ớc đ−ợc định sẵn để thực hiện quá trình cắt dọc băng kính. Khi băng kính chuyển động đến hệ thống dao cắt ngang, cơ cấu dao cắt ngang chuyển động vuông góc với băng kính và cơ cấu tay biên trên đó có đặt cảm biến để nhận biết sự có mặt của băng kính và cơ cấu đo xác định chiều dài tấm kính. Khi cảm biến nhận tín hiệu sau thời gian trễ 1giây hạ dao xuống, dao cắt thực hiện hai chuyển động (một chuyển động tịnh tiến của bàn dao, một chuyển động ngang của dao). Khi dao chuyển động sang phải gặp công tắc hành trình thì dao đ−ợc nâng lên và trở về vị trí cũ. Sau khi băng kính đ−ợc cắt khoảng 30 giây, băng kính chuyển động về phía tr−ớc để thực hiện bẻ kính theo nguyên lý nâng trọng l−ợng đồng thời lúc này dàn con lăn đ−ợc tăng tốc trong khoảng 5 giây sau đó trở về trạng thái tốc độ ban đầu. Sau đó tấm kính đ−ợc bẻ mép bằng cơ cấu cố định và kết thúc quá trình sản xuất. 2.3.2. Sơ đồ thuật toán Để tiến hành điều khiển hoặc giám sát quá trình thực, chúng tôi tiến hành xây dựng thuật toán điều khiển Bắt đầu 1 phút Dàn con lăn truyền động chính Dàn con lăn tăng tốc Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 22 - Khoa Cơ - Điện Hoạt động của hệ thống: Hệ thống bắt đầu hoạt động truyền động cho dàn con lăn chính. 1 phút sau truyền động cho dàn con lăn tăng tốc, 1 phút sau truyền động cho bộ kéo mép thực hiện quá trình kéo mép băng kính. 30 giây sau cấp nhiệt lò ủ khi băng kính đi vào lò ủ, tiếp tục hạ dàn dao cắt dọc băng kính với chiều rộng a = 3084mm. Khi băng kính đi ra gặp cơ cấu phát hiện và đo độ dài băng kính b = 2134mm thực hiện cắt băng 30 giây Công tắc hành trình TB đo chiều dài 1 phút 30 giây 1 phút Cấp nhiệt lò ủ Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 23 - Khoa Cơ - Điện kính từ trái sang phải và từ phải sang trái trong thời gian 30 giây. Sau đó chuyển đến dàn con lăn tăng tốc và tăng tốc trong 5 giây, kết thúc quá trình điều khiển. Việc điều khiển nhờ vào việc liên tục thu thập các giá trị đầu vào đó chính là việc phát hiện sự có mặt của băng kính trên giàn con lăn. Từ các giá trị thu thập đ−ợc đem so sánh với các thông số của ch−ơng trình đã đ−ợc lập tại thời điểm đó xem có đúng hay không. nếu ch−a đúng sẽ lệnh cho các đầu ra thực thi những nhiệm vụ sao cho giá trị đầu vào thu đ−ợc nh− quy định. Các đầu ra điều khiển dùng để điều khiển dàn dao cắt kính. 2.4. Công nghệ sản xuất kính cán (giai đoạn 3) 2.4.1. Yêu cầu công nghệ [1] Nhấn nút “ON” khởi động dây chuyền sản xuất kính cán (dàn con lăn truyền động chính). 1 phút sau khởi động dàn con lăn chuyển tiếp (gồm có dàn con lăn quá độ và dàn con lăn kéo l−ới). Khi thuỷ tinh lỏng đi vào cửa chảy tràn kính cán, 30 giây sau khởi động bộ truyền động máy cán, bộ truyền động máy cán gồm hai cơ cấu truyền động cho trục cán trên và trục cán d−ới với đ−ờng kính trục cán và chiều quay khác nhau, trục cán d−ới có chức năng tạo ra hình dạng hoa văn cho băng kính. Đồng thời mở cửa chảy tràn kính cán để thực hiện quá trình cán tạo hình băng kính. Sau khi băng kính ra khỏi máy cám đ−ợc 1 phút thì hệ thống gia nhiệt lò ủ đ−ợc kích hoạt, v−ợt qua dàn con lăn quá độ tiến vào lò ủ với mục đích khống chế ứng lực sinh ra trong quá trình làm nguội băng kính trong phạm vi trị số cho phép. Việc làm nguội băng kính đ−ợc thực hiện trên băng tải. Vậy sau một khoảng thời gian kể từ khi thực hiện quá trình cán tạo hình, băng kính di chuyển đến hệ thống dao cắt dọc thực hiện quá trình cắt dọc băng kính. Khi thiết bị truyền tín hiệu và đo độ dài (cảm biến) nhận đ−ợc tín hiệu thì tác động kích hoạt hệ thống dao cắt ngang thực hiện quá tính cắt ngang băng kính theo kích th−ớc đã định sẵn, khi dao chuyển động từ trái sang phải gặp công tắc hành trình phải thì tác động nâng dao lên và trở về vị trí cũ. Cơ cấu bàn dao đ−ợc bố trí nghiêng một góc α so với ph−ơng vuông góc với băng kính. 20 giây sau thì cơ cấu bẻ ngang và dàn con lăn tang tốc đ−ợc kích hoạt tăng tốc độ để đ−a băng kính chuyển động nhanh hơn về phía tr−ớc trong khoảng 3 giây sau đó trở về trạng thái ban đầu, rồi thực hiện Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 24 - Khoa Cơ - Điện quá trình bẻ biên kết thúc chu trình sản xuất kính cán. 2.4.2. Xây dựng sơ đồ thuật toán Hoạt động của hệ thống: Hệ thống bắt đầu hoạt động truyền động cho dàn con lăn chính hoạt động. 30 giây sau truyền động cho dàn con lăn tăng tốc, cứ nh− vậy quá trình diễn ra liên tục Công tắc hành trình TB đo độ dài Cảm biến Bắt đầu Dàn con lăn truyền động chính Cửa chảy tràn kính cán Tăng tốc dàn con lăn tăng tốc Bẻ biên Kết thúc 1 phút Dàn con lăn tăng tốc 30 giây Dàn con lăn chuyển tiếp 1 phút Máy cán 3 phút Cấp nhiệt lò ủ Dao cắt dọc Dao cắt ngang trái Dao cắt ngang phải 30 giây TB bẻ ngang Hình 2.5: Sơ đồ thuật toán điều khiển dây chuyền sx kính cán 1 phút Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 25 - Khoa Cơ - Điện truyền động cho dàn con lăn chuyển tiếp sau khoảng thời gian 1 phút. Khi thuỷ tinh lỏng ở cửa chảy tràn kính cán, 1 phút sau thực hiện mở cửa chảy tràn kính cán và kích hoạt may cán hoạt động thực hiện cán tạo hình băng kính. Sau đó thực hiện cấp nhiệt lò ủ, 3 phút sau khi băng kính ra khỏi lò ủ hạ dao cắt dọc băng kính xuống với kích th−ớc định sẵn a = 1524mm. Khi băng kính đi ra gặp cơ cấu phát hiện và đo độ dài băng kính b = 2134mm thực hiện cắt băng kính từ trái sang phải và từ phải sang trái trong thời gian 30 giây. Sau đó chuyển đến dàn con lăn tăng tốc và thiết bị bẻ ngang, thực hiện tăng tốc trong 5 giây, kết thúc quá trình điều khiển. 2.5. Kết luận ch−ơng 2 Qua nghiên cứu dây chuyền công nghệ sản xuất kính chúng ta thấy đ−ợc vai trò to lớn của tự động hoá trong sản xuất công nghiệp và đó cũng là mục tiêu mà mọi ngành sản xuất đều h−ớng tới. Song do quá trình hội nhập và khả năng tài chính của nhà máy còn nhiều hạn chế nên việc áp dụng tự động hoá toàn nhà máy ch−a đ−ợc hoàn thiện. Vì vậy trong toàn bộ quá trình sản xuất còn có những khâu phải làm việc bán tự động. Chính vì điều đó chúng tôi tiến hành nghiên cứu và viết sơ đồ thuật toán điều khiển, để phần nào hoàn thiện tự động hoá dây chuyền sản xuất nhằm nâng cao năng suất và chất l−ợng sản phẩm. Qua phân tích và xây dựng thuật toán chúng tôi nhận thấy. Đối với các bài toán điều khiển lớn, việc giải quyết nó phải do nhiều ng−ời cùng làm. Chính ph−ơng pháp module hoá sẽ cho phép tách bài toán ra thành các phần độc lập tạo điều kiện cho các nhóm giải quyết phần việc của mình. Với ch−ơng trình đ−ợc xây dựng trên cơ sở của các thuật toán (giải thuật) đ−ợc thiết kế theo cách này thì việc tìm hiểu cũng nh− sửa chữa chỉnh lý sẽ dễ dàng hơn. Đây là tiền đề, là cơ sở để chúng tôi tiến hành nghiên cứu mô phỏng hệ thống trên phần mềm Step 7 - Micro/Win 32. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 26 - Khoa Cơ - Điện Ch−ơng 3 Thiết kế mô hình điều khiển dây chuyền sản xuất Kính cán và Kính tấm kéo ngang 3.1. ứng dụng phần mềm Simatic S7 - 200 3.1.1. Giới thiệu chung về PLC [2] Trong một hệ thống điều khiển các thiết bị điều khiển có một vai trò rất quan trọng, là “phần cứng” và là nền tảng để hiện thực hoá các thuật toán, các ch−ơng trình điều khiển. Trong rất nhiều các loại thiết bị điều khiển khác nhau, từ những chiếc rơle đơn giản đến những bộ vi điều khiển hay những máy tính công nghiệp hiện đại, các bộ điều khiển Logic khả trình (PLC - Programmable Logic Controller) đ−ợc sử dụng rất phổ biến đặc biệt là trong công nghiệp. Kể từ khi bắt đầu xuất hiện vào đầu thập niên 70 của thế kỷ tr−ớc nh− một thiết bị có khả năng lập trình mềm dẻo thay thế cho các mạch Logic cứng, các PLC đã phát triển rất nhanh chóng cả về phần cứng và phần mềm. Về phần cứng, các bộ xử lý mạnh và bộ nhớ lớn đã thay thế cho các bộ vi xử lý đơn giản và bộ nhớ khoảng 1kB. Các công vào/ra không chỉ tăng về số l−ợng mà có thể đ−ợc phân tán. Các cổng t−ơng tự cũng đ−ợc thêm vào giúp cho PLC giờ đây không chỉ thích hợp cho điều khiển logic mà còn có thể đ−ợc sử dụng rất hiệu quả trong điều khiển các quá trình liên tục. Về mặt cấu trúc, các PLC ngày nay có cấu trúc dạng Module linh hoạt. Bên cạnh đó, khả năng nối mạng góp phần tăng hiệu quả và sức mạnh của các PLC lên nhiều lần khi chúng hoạt động phối hợp. Về phần mềm, tập lệnh của các PLC ngày nay không chỉ giới hạn ở lệnh logic đơn giản mà đã trở nên rất phong phú với các lệnh toán học, truyền thông, bộ đếm, bộ định thời… xét về ph−ơng diện lập trình, hầu hết các PLC hiện nay vẫn sử dụng ngôn ngữ lập trình quen thuộc đã xuất hiện từ thời kỳ đầu là LAD (Ladder) - ngôn ngữ dạng biểu đồ thang, FBD - ngôn ngữ dạng biểu đồ khối chức năng, STL (Statememts List)- ngôn ngữ dạng liệt kê lệnh. Nh− vậy, bộ Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 27 - Khoa Cơ - Điện điều khiển logíc khả trình (PLC) chứa đựng đầy đủ cả ba thành phần của khoa học máy tính: phân cứng, phần mềm và truyền thông. 3.1.2. Vai trò của PLC trong điều khiển tự động Trong một hệ thống thiết bị điều khiển tự động, bộ điều khiển PLC đ−ợc coi nh− bộ não có khả năng điều hành toàn bộ hệ thống điều khiển. Với một ch−ơng trình ứng dụng điều khiển (l−u dữ trong bộ nhớ PLC) trong khâu chấp hành, PLC giám sát chặt chẽ, ổn định chính xác trạng thái của hệ thống qua tín hiệu của thiết bị đầu vào. Sau đó nó sẽ căn cứ trên ch−ơng trình Logic để xác định tiến trình hoạt động đồng thời truyền tín hiệu đến thiết bị đầu ra. PLC có thể đ−ợc sử dụng để điều khiển những thao tác ứng dụng đơn giản, lặp đi lặp lại hoặc một vài thiết bị trong số chúng có thể đ−ợc nối mạng cùng với hệ thống điều khiển trung tâm hoặc những máy tính trung tâm thông qua một phần của mạng truyền dẫn, với mục đích để tổ hợp việc điều khiển một quá trình xử lí phức tạp. Tr−ớc kia bộ PLC giá rất đắt 99USD với ít đầu vào/ra (I/O), khả năng hoạt động bị hạn chế và qui trình lập trình rất phức tạp. Vì những lí do đó mà nó chỉ đ−ợc dùng cho những máy và thiết bị đặc biệt có sự thay đổi thiết kế cần phải tiến hành ngay cả trong giai đoạn lập bảng nhiệm vụ và luận chứng. Ngày nay, với những tiến bộ v−ợt bậc của điện tử và tin học đã đem lại hiệu năng cao, tối thiểu hoá kích th−ớc và chức năng xử lí quá trình nhiều hơn nh− các chức năng điều khiển chuyển động PID Analog, Chúng đã mở ra thị tr−ờng mới cho PLC. Các phần cứng điều khiển hoặc các điều khiển dựa trên PC (Personal Computer) đ−ợc mở rộng với các tính năng thực. Thị tr−ờng cho bộ điều khiển logic khả trình (PLC) trên toàn thế giới đang phát triển mạnh mẽ do các khu vực kinh tế tăng tr−ởng nhanh và sự mở rộng ứng dụng ra ngoài lĩnh vực sản xuất. Thuật ngữ PLC hiện nay không chỉ nằm gọn trong tính năng lập trình và điều khiển Logic. Các tính năng truyền thông, bộ nhớ dung l−ợng lớn, và các CPU tốc độ cao đã làm cho PLC trở Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 28 - Khoa Cơ - Điện thành phần tử TĐH thông dụng đáp ứng tất cả các ứng dụng thị tr−ờng PLC đang đ−ợc hy vọng sẽ tăng tr−ởng với tỉ lệ 4,6% hàng năm trong năm năm tới cho dù giá của thiết bị này đang giảm. 3.1.3. Ưu điểm của việc sử dụng PLC trong tự động hoá [2] PLC (Programmable Logic Controller - bộ điều khiển logic khả trình) đang phát triển ngày càng mạnh mẽ và giá rẻ hơn rất nhiều so với tr−ớc. Tiết kiệm chi phí cùng lúc mang lại lợi ích cho nhà sản xuất và ng−ời sử dụng, đó là kết quả của việc áp dụng bộ xử lí có tính năng mạnh mẽ, sự thay đổi từ cấu trúc mạng độc quyền và h−ớng tới hệ thống dựa trên TCP/IP với giao diện Web, ngôn ngữ lập trình đ−ợc cổ vũ bởi phong trào phần mềm nguồn mở. Với khả năng lập trình đơn giản, cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính. Vì vậy bộ điều khiển logic khả trình PLC đạt đ−ợc những −u thế cơ bản trong việc điều khiển các yêu cầu công nghệ. Ưu điểm của PLC là xử lí các phép tính Logic với tốc độ cao, thời gian vòng quét nhỏ (cỡ ms/vòng) rất nhanh so với thời gian vòng quét của một hệ DCS (Distributed Computer System). Ban đầu PLC chỉ quản lý đ−ợc các đầu vào/ra số. Qua quá trình phát triển, ngày nay PLC đã đ−ợc bổ sung thêm nhiều chức năng. ắ Khả năng quản lý đầu vào/ra Analog: Tuy có khả năng quản lý đ−ợc đầu vào/ra Analog nh−ng số l−ợng quản lý đ−ợc khá hạn chế, thuật toán xử lý trên các biến Analog kém, làm thời gian vòng quét tăng lên rất nhiều. ắ Khả năng truyền thông: Nhiều PLC hiện nay hỗ trợ giao thức truyền thông công nghiệp, chẳng hạn nh−: PROFIBUS, AS - I, DeviceNet. Các đặc điểm này giúp cho PLC có thể nối mạng với nhau tạo thành mạng PLC hoặc kết nối với các hệ thống lớn nh− DCS (Distributed Computer System), hoặc cũng có thể kết nối với máy tính có phần mềm HMI tạo thành hệ PLC/HMI (Hypermedia Manufacturing Integrated) điều khiển giám sát và thu thập số liệu. ắ Chuẩn bị vào tác động nhanh: Thiết kế module cho phép thích nghi đơn giản với bất kỳ mọi chức năng điều khiển. Khi bộ điều khiển và các phụ Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 29 - Khoa Cơ - Điện kiện đã đ−ợc lắp ghép thì bộ PLC vào t− thế sẵn sàng làm việc ngay. ắ Độ tin cậy cao và ngày càng tăng: Các linh kiện điện tử và bán dẫn có tuổi thọ dài hơn so với các thiết bị cơ. Độ tin cậy của PLC ngày càng cao và tuổi thọ ngày càng tăng do đ−ợc thiết kế và tăng bền để chịu đ−ợc rung động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn. Việc bảo d−ỡng định kỳ th−ờng là cần thiết đối với điều khiển Rơle nh−ng với PLC thì điều này đ−ợc loại bỏ. ắ Dễ dàng thay đổi ch−ơng trình: Những thay đổi cần thiết cả khi bắt đầu khởi động hoặc những lúc tiếp theo đều có thể thực hiện dễ dàng mà không cần bất kỳ thao tác nào ở phần cứng. Ch−ơng trình đ−ợc đ−a vào bộ nhớ của PLC bằng thiết bị lập trình, thiết bị này không kết nối cố định với PLC và có thể chuyển từ thiết bị điều khiển này đến thiết bị điều khiển khác mà không làm xáo trộn các hoạt động. PLC có thể vận hành mà không cần kết nối với thiết bị lập trình sau khi ch−ơng trình đ−ợc tải vào bộ nhớ của PLC. ắ Đánh giá nhu cầu sử dụng: Nếu biết chính xác số đầu vào và đầu ra thì có thể xác định kích cỡ yêu cầu bộ nhớ (độ dài ch−ơng trình) tối đa là bao nhiêu. Từ đó có thể dễ dàng, nhanh chóng lựa chọn loại PLC phù hợp. Các thiết bị lập trình có thể là loại cầm tay, bộ giao tiếp để bàn, hoặc máy tính. Các hệ thống cầm tay có bàn phím nhỏ và màn hình tinh thể lỏng. Các thiết bị để bàn có thể có bộ hiển thị với bàn phím hoàn chỉnh và màn hình hiển thị. Các máy tính cá nhân đ−ợc lập cấu hình nh− các trạm làm việc phát triển ch−ơng trình. ắ Khả năng tái tạo: Bộ điều khiển logic khả trình PLC đ−ợc −a dùng hơn các bộ điều khiển khác không chỉ vì nó có thể sử dụng thuận lợi cho các hệ thống đã làm việc ổn định mà còn có thể đáp ứng nhu cầu của các thiết bị mẫu đầu tiên mà ng−ời ta có thể thay đổi cải tiền trong quá trình vận hành. ắ Tiết kiệm không gian: PLC đòi hỏi ít không gian hơn so với điều khiển rơle t−ơng ứng, kích th−ớc nhỏ cũng có nghĩa là tiết kiệm không gian tủ và đặc biệt là tiết kiệm năng l−ợng tiêu thụ, giảm thiểu đáng kể yêu cầu về làm mát, nhất là trong điều kiện khí hậu của Việt Nam hiện nay. ắ Sự cải biến thuận tiện: Các PLC có thể sử dụng cùng một thiết bị Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 30 - Khoa Cơ - Điện điều khiển cơ bản cho nhiều hệ thống điều khiển. Để sửa đổi hệ thống điều khiển và các qui tắc đang sử dụng, ng−ời vận hành chỉ cần nhập tập lệnh khác, không cần nối lại dây. Nếu chỉ muốn thay đổi một bộ phận nhỏ trong dãy chức năng, có thể đ−ợc cải tạo một cách đơn giản bằng cách sao chép cải biến thêm những phần mới. So với kỹ thuật điều khiển bằng rơle ở đây có thể giảm phần lớn tổng thời gian lắp ráp. Nhờ đó, hệ thống rất linh hoạt, hiệu quả. So với hệ thống điều khiển logic thông th−ờng (dạng kinh điển) thì hệ thống dùng PLC có những chỉ tiêu −u việt. 3.1.4. Hiệu quả kinh tế của PLC [2] Từ thế kỷ XVIII, sau khi bộ điều chỉnh cơ cấu với quả cầu li tâm của James Watt xây dựng đ−ợc áp dụng trong điều chỉnh tốc độ tua bin, các bộ điều chỉnh PID (Protocol Integrated Distributed) khí nén và điện tử cùng với các rơle điện cơ lần l−ợt ra đời vào nửa đầu thế kỷ XX góp phần tạo nên bộ mặt của kỹ thuật điều khiển tự động kinh điển. Việc tự động hoá quá trình sản xuất, quá trình công nghệ dựa trên nền tảng điều khiển cục bộ. Mỗi bộ điều khiển có một chức năng điều khiển riêng biệt, phụ trách một vòng điều khiển độc lập. Ngay cả nhiệm vụ vận hành giám sát nhiều khi cũng phải thực hiện cục bộ, tại chỗ. Thực chất, đây là giải pháp điều khiển kém hiệu quả về mặt kinh tế và kém tin cậy về mặt kỹ thuật gây tốn kém và lãng phí. Thì sự ra đời của PLC (Programmable Logic Controller) góp phần quan trọng trong tự động hoá các xí nghiệp công nghiệp. PLC thực chất là loại máy tính điều khiển chuyên dụng có khả năng lập trình mềm dẻo thay thế các mạch điều khiển rơle cứng tr−ớc kia do Modicon và nhà phát minh Richard Morley lần đầu tiên đ−a ra vào năm 1968. Đến nay số l−ợng chủng loại PLC có mặt trên thị tr−ờng ở dạng đến nỗi khó có thể bao quát. Với PLC ta có thể có một hệ thống điều khiển có cấu trúc tập trung cũng nh− phân tán tuỳ theo qui mô của ứng dụng. Với những tính năng −u việt đó mà hệ thống PLC đ−ợc các nhà thầu −a dùng hơn so với điều khiển bằng rơle truyền thống. 3.1.5. Khả năng và những ứng dụng của bộ điều khiển Logic khả trình PLC [4] Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 31 - Khoa Cơ - Điện Sự phát triển nhanh chóng của các loại PLC đã đem đến sức mạnh và sự tiện dụng cho ng−ời dùng. Nó đã trở thành phần tử tự động không thể thiếu đ−ợc trong tự động hoá với những chức năng và ứng dụng rộng rãi. ắ Thu thập tín hiệu đầu vào, tín hiệu phản hồi (từ các cảm biến) từ đó xử lí các phép tính logic với tốc độ rất cao, thời gian vòng quét nhỏ. ắ Thực hiện liên kết, ghép nối và đóng mạch phù hợp qua các chuẩn truyền thông. Bảng 3.1: Chức năng của PLC trong một số kiểu điều khiển Kiểu điều khiển Chức năng Điều khiển chuyên gia giám sát -Thay thế điều khiển kiểu Rơle - Thời gian đếm - Thay cho các Panel điêu khiển mạch in - Điều khiển tự động, bán tự động bằng tay, các máy và các quá trình Điều khiển dãy - Thực hiện các phép toán số học - Cung cấp thông tin (Bus truyền thông) - Điều khiển động cơ chấp hành - Điều khiển động cơ b−ớc Điều khiển mềm dẻo - Điều hành quá trình và báo động - Phát hiện lỗi và điều hành - Ghép nối máy tính (RS232/RS485) - Ghép nối máy in - Mạch TĐH xí nghiệp Trong các nhà máy công nghiệp, hệ thống TĐH đóng vai trò hết sức quan trọng. Với tính năng nổi bật của mình bộ điều khiển lập trình PLC đ−ợc ứng dụng rất phổ biến. D−ới đây chúng tôi đ−a ra một số ứng dụng cơ bản: ắ Hệ thống điều khiển tự động trộn bê tông: Sử dụng phần mềm điều khiển Simatic S7 - 200 và phần mềm WinCC, quản lý toàn bộ các quá trình thi công, sản xuất và giao hàng… tiết kiệm nguyên liệu, chi phí đầu t−. Hệ thống Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 32 - Khoa Cơ - Điện cân định l−ợng của trạm trộn đảm bảo chính xác cao đã giải quyết triệt để các sai lệch động nhờ ứng dụng các thuật toán bù khối l−ợng. Thực tế sản xuất cho thấy, sai số sau bù lệch là 16Kg/11,95 tấn bê tông t−ơi, một kết quả v−ợt quá sự mong đợi. Hệ thống trộn bê tông tự động đã đ−ợc các chuyên gia Nhật Bản và Cu Ba đánh giá cao, cho phép áp dụng ngay vào các dự án lớn của thành phố Hà Nội. ắ Mô hình ga tập trung điện khí sử dụng PLC: Tăng c−ơng năng lực thông ga và độ an toàn khi chạy tàu. Đ−ợc ứng dụng vào các ga nhỏ sẽ tăng động chính xác, an toàn, giảm c−ờng độ lao động cho ng−ời trực ban (chỉ cần nhìn vào màn hình là có thể biết đ−ợc cự ly của tàu so với ga) thay thế các thao tác thủ công nh− chờ tàu đến, khi tàu đến phải chạy ra xem tàu đã vào hết ch−a… ắ Mô hình đóng mở cửa tự động: Cửa tự động sẽ mở khi có ng−ời đến gần và kéo dài trong khoảng thời gian xác định, tr−ớc khi đóng. Các tín hiệu vào hệ thống điều khiển xuất phát từ các bộ cảm biến dùng để phát hiện có ng−ời đến gần từ bên ngoài và sự đến gần của ng−ời từ bên trong. Các bộ cảm biến này là các linh kiện bán dẫn cảm biến nhiệt cung cấp tín hiệu điện áp khi bức xạ hồng ngoại tác động lên chúng. Ngoài ra, còn có các tín hiệu nhập đi vào thiết bị điều khiển này có thể phát ra từ công tắc giới hạn để cho biết thời điểm cửa mở hoàn toàn và thiết bị định giờ để duy trì cửa mở trong thời gian yêu cầu. Tín hiệu ra của thiết bị điều khiển có thể dẫn đến các van điều khiển, van khí nén vận hành bằng Solenoid sử dụng chuyển động của các pittông trong xi lanh để mở và đóng cửa. Mô hình này đã đ−ợc ứng dụng vào toà nhà văn phòng Chính phủ và đã đ−ợc những ý kiến phản hồi đáng khích lệ. ắ Nhà sản xuất Thuỵ Sĩ Mikron chọn PLC của Siemens sử dụng trong x−ởng chế tạo của họ. PLC đối thoại qua hệ thống máy tính công nghiệp chạy phần mềm HMI là chìa khoá để làm cho hệ thống lớn này dễ thiết lập và sử dụng. ắ Nhà sản xuất Ôtô Jaguar (Anh) sử dụng các PLC và bộ truyền động để đảm bảo hoạt động của dây chuyền sản xuất với các tính năng Mosbus Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 33 - Khoa Cơ - Điện Ethernet TCP/IP và Web cho phép các kỹ s− kiểm tra tình trạng thiết bị từ mọi vị trí trong nhà máy. 3.1.6. Cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển lập trình PLC [5] Hệ thống PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản, gồm bộ xử lí, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện nhập xuất và thiết bị lập trình. 1. Bộ xử lí trung tâm Bộ xử lý trung tâm (CPU) chứa bộ vi xử lí hệ thống, bộ nhớ và mạch nhập/xuất. Bộ xử lí trung tâm đ−ợc trang bị đồng hồ có tần số trong khoảng 1 đến 8MHz. Tốc độ này quyết định tốc độ vận hành của PLC, cung cấp chuẩn thời gian và đồng bộ hoá tất cả các thành phần của hệ thống. Cấu hình CPU tuỳ thộc vào bộ vi xử lí. Nói chung, CPU có: ắ Bộ thuật toán và logic (ALU) chịu trách nhiệm xử lí dữ liệu, thực hiện các phép toán số học (cộng, trừ) và các phép toán logic AND, OR, NOT và EXCLUSIVE-OR. ắ Bộ nhớ, còn gọi là các thanh ghi, bên trong bộ vi xử lí, đ−ợc sử dụng để l−u trữ thông tin lên quan đến sự thực thi ch−ơng trình. Thiết bị lập trình Bộ nhớ Bộ xử lí Giao diện xuất Giao diện nhập Nguồn công suất Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống PLC Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 34 - Khoa Cơ - Điện ắ Bộ điều khiển đ−ợc sử dụng để điều khiển chuẩn thời gian của các phép toán. Thông tin trong PLC đ−ợc truyền d−ới dạng tín hiệu Digital. Các đ−ờng dẫn bên trong truyền các tín hiệu Digital đ−ợc gọi là các bus. Về vật lý, bus là bộ dây dẫn, truyền tín hiệu điện. Bus là các đ−ờng dẫn dùng để truyền thông bên trong PLC. Thông tin đ−ợc truyền theo dạng nhị phân, theo nhóm bit, mỗi bit là một số nhị phân 1 hoặc 0, t−ơng ứng với các trạng thái on/off. Thuật ngữ từ đ−ợc sử dụng cho nhóm bit tạo thành thông tin nào đó. Hệ thống PLC có bốn bus: ắ Bus dữ liệu tải dữ liệu đ−ợc sử dụng trong quá trình xử lí của CPU. Bộ vi xử lí 8 bit có một bus dữ liệu nội có thể thao tác các số 8 bit, có thể thực hiện phép toán giữa các số 8 bit và phân phối kết quả theo số 8 bit. ắ Bus địa chỉ đ−ợc sử dụng để tải địa chỉ các vị trí trong bộ nhớ. Nh− vậy, mỗi từ có thể đ−ợc định vị trong bộ nhớ, mỗi vị trí nhớ đ−ợc gán một địa chỉ duy nhất. Bus địa chỉ mang thông tin cho biết địa chỉ sẽ đ−ợc truy cập. Nếu bus địa chỉ gồm 8 đ−ờng, số l−ợng từ 8 bit, hoặc số l−ợng địa chỉ phân biệt là 28 = 256. Với bus địa chỉ 16 đ−ờng, số l−ợng địa chỉ khả dụng là 65.536 ắ Bus điều khiển mang các tín hiệu đ−ợc CPU sử dụng để điều khiển; ví dụ, để thông báo cho các thiết bị nhớ nhận dữ liệu từ thiết bị nhập hoặc xuất dữ liệu, và tải các tín hiệu chuẩn thời gian đ−ợc dùng để đồng bộ hoá các hoạt động. ắ Bus hệ thống đ−ợc dùng để truyền thông giữa các cổng nhập/xuất và thiết bị nhập/xuất. 2. Bộ nhớ Là nơi l−u dữ ch−ơng trình cho các hoạt động điều khiển, d−ới sự kiểm tra của bộ vi xử lý. Trong hệ thông PLC có nhiều loại bộ nhớ: ắ Bộ nhớ chỉ đọc (ROM) cung cấp dung l−ợng l−u trữ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định đ−ợc CPU sử dụng. ắ Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) dành cho ch−ơng trình của ng−ời dùng. đây là nơi l−u trữ thông tin theo trạng thái của thiết bị nhập/xuất, các Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 35 - Khoa Cơ - Điện giá trị của đồng hồ thời chuẩn, các bộ đếm và các thiết bị nội vi khác. Một phần của bộ nhớ này, khối địa chỉ, dành cho các địa chỉ ngõ vào và ngõ ra, cùng với trạng thái các ngõ vào và ngõ ra đó. một phần dành cho dữ liệu đ−ợc cài đặt tr−ớc, và một phần khác dành để l−u trữ các giá trị của bộ đếm, các giá trị của đồng hồ thời chuẩn… ắ Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình đ−ợc (EPROM) là các ROM có thể lập trình, sau đó tr−ơng trình này đ−ợc th−ờng trú trong ROM. Ng−ời dùng có thể thay đổi ch−ơng trình và dữ liệu trong RAM. Tất cả các PLC đều có một l−ợng RAM để l−u ch−ơng trình do ng−ời dùng cài đặt và dữ liệu ch−ơng trình. Tuy nhiên, để tránh mất mát ch−ơng trình khi nguồn công suất bị ngắt, PLC sử dụng ắc quy để duy trì nội dung RAM trong một thời gian. Sau khi đ−ợc cài đặt vào RAM, ch−ơng trình có thể đ−ợc tải vào vi mạch của bộ nhớ EPROM, th−ờng là các module có khoá với PLC, do đó ch−ơng trình trở thành vĩnh cửu. Ngoài ra còn có bộ đệm tạm thời, l−u trữ các kênh nhập/xuất. 3. Bộ nguồn Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (5 V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong module giao diện nhập/xuất. Nguồn cung cấp cho PLC đ−ợc cấp từ nguồn 220V~ hoặc 110V~ (tần số 50 ữ 60 Hz) hoặc 24 DCV. 4. Thiết bị nhập/xuất Thiết bị nhập/xuất là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin tới thiết bị bên ngoài. Tín hiệu nhập có thể từ các công tắc hoặc từ các bộ cảm biến… Các thiết bị xuất có thể đến cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van Solenoid… các thiết bị nhập/xuất có thể đ−ợc phân loại theo kiểu tín hiệu cung cấp, rời rạc Digital hoặc Analog. Các thiết bị cung cấp tín hiệu rời rạc hoặc Digital là các thiết bị có tín hiệu on hoặc off. Các thiết bị Analog cung cấp các tín hiệu có độ lớn tỷ lệ với Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 36 - Khoa Cơ - Điện giá trị của biến đang đ−ợc giám sát. 5. Thiết bị lập trình Đ−ợc sử dụng để nhập ch−ơng trình cần thiết vào bộ nhớ của bộ xứ lý. Ch−ơng trình đ−ợc viết trên thiết bị này, sau đó đ−ợc chuyển đến bộ nhớ của PLC. 3.1.7. Trình tự thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PLC Lập trình điều khiển (cho PLC) ngày càng trở nên phổ biến, không giống với lập trình thông th−ờng cho máy tính (PC) hay cho vi điều khiển. lý do đơn giản là vì bài toán lập trình điều khiển cho PLC có những đặc thù riêng. PLC đ−ợc thiết kế cho phép các kỹ s−, không yêu cầu kiến thức cao về máy tính và ngôn ngữ máy tính, có thể vận hành, quy trình thực hiện th−ờng là: - Nghiên cứu yêu cầu điều khiển - Xác định số l−ợng đầu vào và đầu ra - Viết ch−ơng trình điều khiển - Nạp ch−ơng trình vào bộ nhớ PLC - Cho PLC chạy thử để điều khiển đối t−ợng 1. Nghiên cứu yêu cầu cần điều khiển của hệ thống Đầu tiên phải xác định thiết bị hoặc hệ thống nào mà chúng ta muốn điều khiển. Mục đích chủ yếu của bộ điều khiển đ−ợc lập trình hoá để điều khiển một hệ thống bên ngoài. Hệ thống đ−ợc điều khiển có thể là một thiết bị, máy móc, hoặc quá trình xử lý và th−ờng gọi là hệ thống điều khiển. 2. Xác định số l−ợng đầu vào và đầu ra Tất cả các thiết bị nhập/xuất cung cấp giao diện giữa hệ thống và thế giới bên ngoài. Cho phép thực hiện các nối kết, thiết bị cảm ứng… Những thiết bị xuất là những thiết bị từ tính, những van điện từ, động cơ và đèn chỉ báo… Thông qua các thiết bị nhập/xuất, ch−ơng trình đ−ợc đ−a vào hệ thống từ bảng ch−ơng trình. Mỗi điểm nhập/xuất có một địa chỉ duy nhất có thể đ−ợc CPU sử dụng. Các kênh nhập/xuất có chức năng cô lập và điều hoà tín hiệu sao cho các bộ cảm biến và các bộ tác động có thể đ−ợc nối trực tiếp với chúng mà Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 37 - Khoa Cơ - Điện không cần thêm mạch điện khác. Sự phân định số l−ợng thiết bị nhập/xuất đ−ợc đ−a ra ngoài tr−ớc việc nối dây theo sơ đồ Ladder bởi vì số lệnh là giá trị chính xác của những tiếp điểm trong sơ đồ Ladder. 3. Viết ch−ơng trình điều khiển Hầu hết các PLC hiện nay vẫn sử dụng ngôn ngữ lập trình quen thuộc đã xuất hiện từ thời kỳ đầu là Ladder (LAD) - ngôn ngữ dạng biểu đồ thang, ngôn ngữ dạng liệt kê lệnh Statement List (STL). Nếu ch−ơng trình đ−ợc viết theo kiểu LAD, thiết bị lập trình sẽ tự tạo ra một ch−ơng trình kiểu STL t−ơng ứng. 4. Nạp ch−ơng trình vào bộ nhớ Các ch−ơng trình đ−ợc đ−a vào bộ nhớ của PLC bằng thiết bị lập trình. Các thiết bị lập trình có thể là loại cầm tay, bộ giao tiếp để bàn, hoặc máy tính. Sau khi hoàn chỉnh phần lập trình, nạp ch−ơng trình xuống PLC (down - load), đọc ch−ơng trình từ PLC (upload) theo dõi ch−ơng trình để gỡ rỗi (Monitoring, Debug), theo dõi và thay đổi tham số trực tuyến. 5. Chạy thử ch−ơng trình Để đảm bảo cấu trúc ch−ơng trình và các tham số đã cài đặt là chính xác tr−ớc khi đ−a vào điều khiển. chúng ta cần thực hiện việc kiểm tra và phát hiện lỗi thông qua bộ mô phỏng hoặc ghép nối trực tiếp với đối t−ợng cần điều khiển và hoàn thiện ch−ơng trình theo hoạt động của nó. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 38 - Khoa Cơ - Điện 3.1.8. Ngôn ngữ lập trình của Simatic S7 - 200 [6] S7-200 là ngôn ngữ lập trình thông dụng, thông qua nó mà ng−ời sử Nối tất cả thiết bị vào / ra với PLC Kiểm tra tất cả các dây nối Chạy thử ch−ơng trình Sửa lại phần mềm Ch−ơng trình đúng L−u ch−ơng trình vào EPROM Sắp xếp có hệ thống tất cả các bản vẽ Kết thúc Tìm hiểu các yêu cầu của hệ thống điều khiển Dựng một l−u đồ chung của hệ thống điều khiển Liên kết các đầu vào / ra t−ơng ứng vỡc các đầu I/O của PLC Phiên dịch l−u đồ sang giản đồ thang Lập trình giản đồ thang vào PLC Thay đổi ch−ơng trình Mô phỏng ch−ơng trình và kiểm tra phần mềm Ch−ơng trình đúng Hình 3.2: Sơ đồ thiết kế hệ thống điều khiển dùng PLC Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 39 - Khoa Cơ - Điện dụng thông tin đ−ợc với bộ điều khiển PLC bên ngoài. S7 - 200 biểu diễn một mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh lập trình. ắ Cách lập trình cho S7 - 200 nói riêng và cho bộ PLC của Siemens nói chung dựa trên hai ph−ơng pháp cơ bản . ắ Ph−ơng pháp hình thang: (ladder logic viết tắt là LAD) đây là ph−ơng pháp đồ hoạ thích hợp đối với những ng−ời quen thiết kế mạch điều khiển logic, những kỹ s− ngành điện. ắ Ph−ơng pháp liệt kê lệnh: STL (Statement list) đây là dạng ngôn ngữ lập trình thông th−ờng của máy tính. Bao gồm các câu lệnh đ−ợc ghép lại theo một thuật toán nhất định để tạo một ch−ơng trình. Ph−ơng pháp này phù hợp với các kỹ s− lập trình. Một ch−ơng trình đ−ợc viết theo ph−ơng pháp LAD có thể đ−ợc chuyển sang dạng STL tuy nhiên không phải ch−ơng trình nào viết theo dạng STL cũng có thể đ−ợc chuyển sang dạng LAD. Trong quá trình lập trình điều khiển chúng tôi viết theo ph−ơng pháp LAD do vậy khi chuyển sang STL thì bộ lệnh của STL có chức năng t−ơng ứng nh− các tiếp điểm, các cuộn dây và các hộp dây dùng trong LAD. Để làm quen và hiểu biết các thành phần cơ bản trong LAD và STL ta cần nắm vững các định nghĩa cơ bản sau: ắ Định nghĩa về LAD: LAD là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ hoạ. Những thành phần dùng trong LAD t−ơng ứng với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơle. Trong ch−ơng trình LAD các phần tử cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic. ắ Lập trình thang PLC thông dụng dựa trên sơ đồ thang. Việc viết ch−ơng trình t−ơng đ−ơng với vẽ mạch chuyển mạch. sơ đồ thang gồm hai đ−ờng dọc biểu diễn đ−ờng công suất. Các mạch đ−ợc nối kết qua đ−ờng ngang (các nấc thang), giữa hai đ−ờng dọc này. Để vẽ sơ đồ thang, cần tuân thủ các quy −ớc sau Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 40 - Khoa Cơ - Điện ắ Các đ−ờng dọc trên sơ đồ biểu diễn đ−ờng công suất, các mạch đ−ợc nối kết giữa các đ−ờng này. ắ Mỗi nấc thang xác định một hoạt động trong quá trình điều khiển. ắ Sơ đồ thang đ−ợc đọc từ trái sang phải và từ trên xuống Nấc ở đỉnh thang đ−ợc đọc từ trái sang phải. Tiếp theo, nấc thứ hai tính từ trên xuống đ−ợc đọc từ trái sang phải ... Khi ở chế độ hoạt động, PLC sẽ đi từ đầu đến cuối ch−ơng trình thang, nấc cuối của ch−ơng trình thang đ−ợc ghi chú rõ ràng, sau đó đ−ợc lập lại từ đầu. Quá trình lần l−ợt đi qua tất cả các nấc của ch−ơng trình đ−ợc gọi là chu trình. ắ Mỗi nấc bắt đầu với một hoặc nhiều ngõ vào và kết thúc với ít nhất một ngõ ra. Thuật ngữ ngõ vào đ−ợc dùng cho hoạt động điều khiển, chẳng hạn đóng các tiếp điểm công tắc, đ−ợc dùng làm ngõ vào PLC. Thuật ngữ ngõ ra đ−ợc dùng cho thiết bị đ−ợc nối kết với ngõ ra của PLC, ví dụ, động cơ. ắ Các thiết bị điện đ−ợc trình bày ở điều kiện chuẩn của chúng. Vì vậy, công tắc th−ờng mở đ−ợc trình bầy trên sơ đồ thang ở trạng thái mở. Công tắc th−ờng đóng đ−ợc trình bầy ở trạng thái đóng. ắ Thiết bị bất kì có thể xuất hiện trên nhiều nấc thang. Ví dụ, có thể có END Nấc 1 Nấc 2 Nấc 3 Nấc cuối Nấc 4 Hình 3.3: Sơ đồ quét hình thang Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 41 - Khoa Cơ - Điện rơle đóng mạch một hoặc nhiều thiết bị. Các mẫu tự và/hoặc các số giống nhau đ−ợc sử dụng để ghi nhãn cho thiết bị trong từng tr−ờng hợp. ắ Các ngõ vào và ra đ−ợc nhận biết theo địa chỉ của chúng. Kí hiệu tuỳ theo nhà sản xuất PLC. Đó là địa chỉ ngõ vào hoặc ngõ ra trong bộ nhớ của PLC Tiếp điểm: là biểu t−ợng (symbol) mô tả các tiếp điểm của rơle. Các tiếp điểm đó có thể là th−ờng mở hoặc th−ờng đóng ắ Cuộn dây (Coil): Là biểu t−ợng mô tả rơle đ−ợc mắc theo chiều dòng điện cung cấp cho rơle. ắ Hộp (Box): Là biểu t−ợng mô tả các hàm khác nhau nó làm việc khi có dòng điện chạy đến hộp. Những dạng hàm th−ờng biểu diễn bằng hộp là các bộ thời gian (Timer), bộ đếm (Counter) và các hàm toán học. Cuộn dây và các hộp phải mắc theo đúng chiều dòng điện. Chiều dòng điện trong mạng LAD đi từ đ−ờng nguồn bên trái sang đ−ờng nguồn bên phải. Đ−ờng nguồn bên trái là dây nóng đ−ờng nguồn bên phải là đây trung hoà hay là đ−ờng trở về của nguồn cung cấp (Khi sử dụng ch−ơng trình tiện dùng Step7 Micro/Dos hoặc Step7 Micro/Win thì đ−ờng nguồn bên phải không đ−ợc thực hiện). Dòng điện chạy từ trái qua các tiếp điểm đóng đến các cuộn dây hoặc các hộp trở về nguồn bên phải. ắ Định nghĩa về STL: Ph−ơng háp liệt kê lệnh là ph−ơng pháp thể hiện ch−ơng trình d−ới dạng tập hợp các câu lệnh. Mỗi câu lệnh trong ch−ơng trình kể cả các lệnh hình thức biểu diễn một chức năng của PLC. Ph−ơng pháp STL dùng các từ viết rắt gợi nhớ để lập công thức cho việc điều khiển, t−ơng tự với ngôn ngữ Assembler ở máy tính. 3.1.9. Ph−ơng pháp lập trình trên phần mềm Step7- Micro/Win32 Phần mềm Step 7 - Micro/Win 32, ng−ời dùng tạo ra các ch−ơng trình và cấu hình d−ới dạng mà họ thích: biểu đồ thang (Ladder diagram), danh sách lệnh (Statement list), biểu đồ các khối chức năng (Function block diagram). Một hoặc hai dự án có thể soạn thảo song song cùng một lúc. Việc Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 42 - Khoa Cơ - Điện lập trình đ−ợc đơn giản hoá một cách đáng kể nhờ chức năng “kéo và thả” (drag and drop), cắt, dán nhờ sử dụng bàn phím hoặc con chuột. Một số chức năng mới cho phép việc tìm và thay thế tự động, xem tr−ớc bản in (print preview), bảng thông tin về các biểu t−ợng có các địa chỉ, biểu t−ợng cũng nh− các địa chỉ đ−ợc hiển thị cho mỗi phần tử trong quá trình làm việc và giám sát tình trạng làm việc. 1. Định cấu hình lập trình Đây là b−ớc quan trọng đầu tiên cần thực hiện gồm có các b−ớc sau: ắ Lựa chọn trên thanh thực đơn Tools Options … nh− trên hình ? ắ Hộp thoại Options xuất hiện cho phép ta lựa chọn ph−ơng thức lập trình thích hợp nh−: Lựa chọn cửa sổ soạn thảo ch−ơng trình, ngôn ngữ viết ch−ơng trình….. ắ Để kết thúc ta nhấn nút ENTER hoặc kích vào nút “OK” để xác nhận những sự lựa chọn đó. Hình 3.4: Lựa chọn cấu hình lập trình Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 43 - Khoa Cơ - Điện 2. Tạo và l−u trữ một Project ắ Các thành phần của một Project Một Project bao gồm những thành phần sau: - Program Block : Bao gồm các mã hóa có thể thực hiện đ−ợc và các lời chú thích. Mã hóa có thể thực hiện đ−ợc bao gồm ch−ơng trình chính hay các ngắt và ch−ơng trình con. Mã hóa đ−ợc tải đến PLC còn các chú thích ch−ơng trình thì không. - Data Block: Khối dữ liệu bao gồm các dữ liệu (những giá trị bộ nhớ ban đầu, những hằng số) và các lời chú thích. Dữ liệu đ−ợc tải đến PLC , các lời chú thích thì không. - System Block: Chứa các thông tin về cấu hình nh− là các thông số truyền thông, các dải dữ liệu l−u giữ, các bộ lọc đầu vào số và t−ơng tự và thông tin mật khẩu. Các thông tin này đ−ợc tải đến PLC. - Symbol Table: Cho phép ch−ơng trình sử dụng những địa chỉ t−ợng tr−ng. Những địa chỉ này đôi khi tiện ích hơn cho ng−ời lập trình và làm cho ch−ơng trình dễ theo dõi hơn . Ch−ơng trình biên dịch tải tới PLC sẽ chuyển các địa chỉ t−ợng tr−ng thành địa chỉ thực. Thông tin trong Symbol Table sẽ không đ−ợc tải tới PLC. - Status Chart : Cho phép theo dõi cách thức xử lý dữ liệu ảnh h−ởng tới việc thực hiện ch−ơng trình . Status Chart không đ−ợc tải đến PLC ,chúng đơn giản là cách thức quản lý hoạt động của PLC. - Cross Reference: Cửa sổ Cross Reference cho phép kiểm tra những bảng chứa xác toán hạng sử dụng trong ch−ơng trình và cũng là vùng nhớ đã đ−ợc gán (Bit Usage and Bye Usage). Trong khi ch−ơng trình soạn thảo ở chế độ RUN, ta có thể kiểm tra những số (EU, ED) đang đ−ợc sử dụng trong ch−ơng trình. Thông tin trong Cross Reference và Usage không đ−ợc tải đến PLC. ắ Cách tạo ra một Project Để tạo một Project mới ta chỉ cần kích hoạt vào biểu t−ợng Step7 - Micro/ Win32 thì một Project mới sẽ đ−ợc tạo ra. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 44 - Khoa Cơ - Điện Ta có thể tạo một Project mới sử dụng thanh thực đơn bằng cách lựa chọn File  New hoặc ấn tổ hợp phím Ctr+N. Để mở một Project có sẵn bằng cách lựa chọn File Open hoặc ấn tổ hợp phím Ctr+O và lựa chọn tên Project muốn mở. ắ L−u trữ một Project Để l−u trữ một Project mới tạo ra, ta lựa chọn lệnh trên thanh thực đơn Project Save All hoặc kích vào biểu tr−ợng trên thanh công cụ hoặc nhấn tổ hợp phím Ctrl+S. 3. Soạn thảo ch−ơng trình Step7 - Micro/Win32 cho phép tạo một ch−ơng trình mà có thể sử dụng một trong 2 cửa sổ là: LAD hoặc STL. ắ Soạn thảo ch−ơng trình trong LAD. Cửa sổ để soạn thảo ch−ơng trình LAD có dạng nh− sau: Để soạn thảo ch−ơng trình, ta tiến hành theo những b−ớc sau: Hình 3.5: Cửa sổ soạn thảo ch−ơng trình trong LAD logic Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 45 - Khoa Cơ - Điện - Nhập tiêu đề cho vùng soạn thảo bằng cách kích đúp vào dòng chữ xanh các Network. - Để soạn thảo các phần tử thang, ta kích vào biểu t−ợng t−ơng ứng trên thanh chỉ dẫn hoặc lựa chọn trên dang sách chỉ dẫn. - Nhập vào địa chỉ hoặc tham số trong mỗi vùng chữ và ấn ENTER. - Nhập tên, địa chỉ và giải thích cho từng địa chỉ bằng cách vào Viewsymbol Table. ắ Soạn thảo ch−ơng trình trong STL. Thông th−ờng quá trình soạn thảo đ−ợc viết bằng ch−ơng trình LAD, sau đó chuyển sang dạng STL, cửa sổ giao diện của STL đ−ợc minh họa nh− sau: Các b−ớc để soạn thảo một ch−ơng trình trong STL - Tr−ớc hết chia các đoạn ch−ơng trình này thành từng mảng, và mỗi mảng phải có từ khóa NETWORK. - Tr−ớc mỗi lời chú thích phải có một đ−ờng song đôi (//). Khi thêm mỗi dòng chú thích cũng phải bắt đầu bởi đ−ờng song đôi. - Các lệnh, toán hạng địa chỉ của lệnh và lời chú thích phải đ−ợc ngăn cách bởi một khoảng trống hoặc một Tab. Hình 3.6: Cửa sổ soạn thảo ch−ơng trình trong STL Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 46 - Khoa Cơ - Điện - Giữa các toán hạng và địa chỉ không đ−ợc có khoảng cách. - Mỗi toán hạng riêng biệt đ−ợc tách rời bởi một dấu phẩy, một khoảng trống hoặc một Tab. - Sử dụng các lời trích dẫn để thay cho việc soạn thảo tên ký hiệu. 4. Chạy ch−ơng trình Sau khi viết ch−ơng trình và l−u trữ vào bộ nhớ ta tiến hành kết nối và chạy ch−ơng trình theo các b−ớc nh− sau: ắ Cài đặt truyền thông. Quá trình cài đặt truyền thông để chọn cáp, cấu hình CPU, các địa chỉ truyền thông. Ta tiến hành nh− sau: - Từ thanh thực đơn ViewCommunications nh− hình vẽ. - Sau khi hộp thoại Communications Setup xuất hiện nháy đúp vào biểu t−ợng trên cùng bên phải. Hộp thoại Setting the PG/PC xuất hiện. Trong hộp thoại có nhiều ứng dụng khác nhau nh− là STEP 7 và Win CC, vì thế ta cần phải lựa chọn ứng dụng cần đặt tham số. Khi đã lựa chọn “Micro/WIN” và đã cài đặt trong phần cứng, ta cần đặt thuộc tính thực sự của việc kết nối phần cứng. Đầu tiên Hình 3.7: Cài đặt truyền thông giữa máy tính và CPU Cài đặt truyền thông Chọn cáp truyền thông Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 47 - Khoa Cơ - Điện cần phải xác định giao thức định sử dụng trong mạng. Nên sử dụng loại PPI. Sau khi đã lựa chọn giao thức sử dụng phải lựa chọn tham số giao diện chính xác trong hộp thoại. Trong đó chứa sẵn các giao diện đă cài đặt cùng với loại giao thức trong ngoặc đơn. Chẳng hạn chọn “PC/PPI cable(PPI)”. Sau đó ta phải lựa chọn các tham số liên quan với cấu hình hiện có. Kích vào nút “Properties....” trong hộp thoại để lựa chọn. ắ Nạp ch−ơng trình vào CPU. Sau khi cài đặt truyền thông ta nạp ch−ơng trình vào CPU bằng việc Download ch−ơng trình. 5. Cách Download một ch−ơng trình Nếu đã thiết lập thành công liên kết giữa PC và PLC ta có thể Download ch−ơng trình tới PLC đó. * Chú ý: Khi Download ch−ơng trình tới PLC nội dung của nó sẽ đ−ợc ghi đè lên nội dung hiện thời của PLC .Vì vậy phải chắc chắn là muốn ghi đè lên tr−ớc khi bắt đầu Download . Các b−ớc tiến hành: Hình3.8: Hộp thoại Set PG/PC Interface Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 48 - Khoa Cơ - Điện - Tr−ớc khi Download ta phải chắc chắn PLC ở chế độ STOP . Kiểm tra đèn báo hiệu của PLC, nếu ch−a ở trạng thái đó phải kích nut “STOP” trên thanh công cụ hoặc chọn PLCSTOP . - Kích nút trên thanh công cụ hay chọn PLC Download - Theo mặc định, hộp kiểm “Program Code Block”, “Data Block”, “CPU conguartion” đã đ−ợc đánh dấu . Nếu không muốn Download khối nào có thể xoá bỏ đánh dấu. - Kích vào “OK” để bắt đầu. - Nếu Download thành công hộp thoại “Download Successful” xuất hiện. - Chuyển trạng thái của PLC từ STOP sang RUN tr−ớc khi chạy ch−ơng trình trên PLC. - Nếu Download không thành công ta phải thiết lập lại truyền thông giữa PLC và PC và thực hiện lại các b−ớc nh− trên. 3.2. Chọn thiết bị điều khiển [7] 3.2.1. Yêu cầu thiết bị cho việc điều khiển Từ việc nghiên cứu, tìm hiểu và khảo s tá dây chuyền công nghệ, nhận thấy ngoài việc lựa chọn phần mềm ứng dụng chính là Simatic S7 - 200 chúng ta cần có những thiết bị trợ giúp cho nó để có đ−ợc giải pháp kinh tế tối −u. Đó là sử dụng PLC S7 - 200 CPU224 và các module nhập/xuất trong khu vực có các thiết bị nhập và thiết bị xuất, sử dụng cáp nối kết các module này đến PLC và kết nối máy tính với PLC qua cổng COM với dao diện truyền thông RS232 và RS485. 3.2.2. Thiết bị điều khiển PLC S7 - 200 CPU224 [4] 1. Cấu trúc phần cứng S7 - 200 là thế hệ PLC cỡ nhỏ do hãng Siemens (CHLB Đức) sáng chế ra, nó có cấu trúc kiểu module và các module mở rộng. Các module này sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau, phù hợp với các ứng dụng tự động ho ámà dòi hỏi chi phí thấp. Thế hệ Simatic S7 - 200 ngày nay rất linh hoạt và hiệu quả sử dụng cao. CPU S7 - 200 sử dụng nguồn nuôi 24V DC hay 100 - 230V AC (dòng điện tiêu Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 49 - Khoa Cơ - Điện thụ lớn nhất là từ 110 - 700mA) tuỳ thuộc cấu tạo từng loại CPU riêng biệt, t−ơng ứng với các nguồn nuôi đó thì đầu ra của nó có thể là 24V DC hay đầu ra rơle Đầu vào của PLC là điện áp 24V DC với dòng từ 80mA tới 900mA. Số đầu vào ra tuỳ thuộc từng loại CPU nó xê dịch từ 6/4 tới 24/16 đầu vào/ra. Khả năng ghép nối module mở rộng phụ thuộc từng loại CPU, nhiều nhất là 7 module. Cho phép l−u ch−ơng trình trong một thời gian nhất định từ 50 giờ tới 190 giờ, còn khi có pin có thể l−u ch−ơng trình tới 200 ngày. CPU của Simatic S7 - 200 có hai thế hệ, thế hệ ban đầu khi mới xuất hiện SIMENS có dòng CPU 21x gồm có bốn loại CPU với tính năng riêng biệt. Sau này SIMENS đ−a ra thế hệ CPU mới 22x cũng có bốn loại gần t−ơng tự với thế hệ đầu nh−ng có bổ sung một số tính năng mới. Vì vậy để đáp ứng mục đích của việc điều khiển, ở đây chúng tôi chọn loại CPU 224. ắ Mô tả các đèn báo trên CPU: Hình3.9: Mô hình phần cứng CPU224 Đèn báo Cổng truyền thông Đầu ra Đầu vào Nối Modul mở rộng Nguồn vào Hộp công tắc Hình3.10: Sơ đồ nối I/O đối với CPU 224 AC/DC/Relay Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 50 - Khoa Cơ - Điện - I 0.0 ữ I 1.5: Đèn xanh ở cổng vào chỉ trạng thái tức thời của cổng - Q 0.0 ữ Q1.1: Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Các đèn SF, RUN, STOP là các đèn báo chế độ làm việc của PLC: - Đèn đỏ SF: báo hiệu hệ thống PLC có h− hỏng - Đèn xanh RUN: báo hiệu PLC đang làm việc - Đèn vàng STOP: chỉ định PLC đang ở chế độ dừng ắ Đặc điểm của CPU 224 hiệu năng cao: - Bộ nhớ ch−ơng trình: 8Kb - Bộ nhớ dữ liệu: 5Kb - Tốc độ xử lý logic 0,37μs - Ngôn ngữ ch−ơng trình: LAD, FBD, STL - Bảo vệ ch−ơng trình: 3 mức password bảo vệ - 256 bộ đếm: 6 bộ đếm tốc độ cao (30khz), bộ đếm A/B, có thể sử dụng đếm tiến, đếm lùi hoặc cả đếm tiến và đếm lùi. - 128 bộ Timer chia làm 3 loại có độ phân giải khác nhau: 4 bộ timer 1ms, 16 bộ timer 10ms, 236 bộ timer 100ms. - Với kích th−ớc nhỏ gọn dài x rộng x cao = 120,5 x 80 x 62mm với trọng l−ợng 360g tiết kiệm không gian tủ. Dùng để kết nối trực tiếp với cảm biến và bộ mã hoá với dòng điện 280mA có thể đ−ợc sử dụng nh− một dòng điện tải. - Tích hợp đầu vào/ra số: 14 đầu vào và 10 đầu ra - Có tối đa 94 đầu vào số, 74 đầu ra số, 28 đầu vào t−ơng tự, 7 đầu ra t−ơng tự với 7 module mở rộng t−ơng tự và số. - Chế độ ngắt và xử lý ngắt: Ngắt truyền thông và ngắt theo s−ờn lên hoặc s−ờn xuống của xung, ngắt của bộ đếm tốc độ cao. - Giao diện có khả năng lập trình sử dụng (Free Port) với khả năng xử lý ngắt đối với việc trao đổi chuỗi dữ liệu với các thiết bị không phải của Siemens. Cáp PC/PPI có thể đ−ợc sử dụng nh− một chuẩn nối tiếp RS232/RS485 - Kết nối với bus mở rộng của thiết bị mở rộng ( chỉ có EMs của chuẩn 22x Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 51 - Khoa Cơ - Điện có thể đ−ợc sử dụng). Các đầu vào ngắt, cho phép PLC phản ứng với tốc độ cao đối với các biến tăng hoặc giảm của các tín hiệu xử lý - Hai xung đầu ra tần số cao (max, 20KHz) sử dụng trong việc xác định vị trí và kiểm soát tốc độ mô tơ điều chỉnh theo tần số và mô tơ b−ớc thông qua các mạch điện - Chức năng kiểm tra và chuẩn đoán: Chức năng này hỗ trợ cho việc kiểm tra và chuẩn đoán để dễ sử dụng. Ch−ơng trình đầy đủ đ−ợc chạy theo số l−ợng chu kỳ xác định tr−ớc và đ−ợc phân tích. Thiết bị bên trong nh− bit nhớ, bộ định thời, bộ đếm, đ−ợc ghi cùng một lúc tối đa là 124 chu kỳ. Các đầu vào/ra có thể đ−ợc cài đặt độc lập theo chu kỳ và vì thế th−ờng xuyên kiểm tra ch−ơng trình của ng−ời sử dụng. - Các ch−ơng trình có thể đ−ợc biên tập, sửa đổi có thể tải vào CPU chỉ bằng một cái kích chuột, mà ch−ơng trình đang sử dụng không bị ngắt - CPU 224 không thể lập trình bằng việc sử dụng Step7- Micro/Dos. Để lập trình thông qua bộ giao diện nối tiếp của thiết bị lập trình/PC, đòi hỏi một cáp PC/PPI Khi sử dụng phần mềm lập trình STEP7- Micro/Win32, việc lập trình có thể thông qua SIMATIC CPs CP551 hoặc CP5611 (see SIMATIC NET) hoặc giao diện MPI của thiết bị lập trình. Điều này làm tăng tối đa tốc độ truyền chấp nhận đ−ợc lên đến 187,5Kbit/s. 2. Cấu trúc bộ nhớ Toàn bộ ch−ơng trình điều khiển đ−ợc l−u vào bộ nhớ của S7 - 200. Bộ nhớ S7 -200 đ−ợc chia làm bốn vùng và đ−ợc ghép nối với một tụ điện có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn. Bộ nhớ S7 - 200 có tính năng động cao, đọc và ghi đ−ợc trong toàn vùng trừ vùng nhớ đặc biệt đ−ợc ký hiệu là SM (Special Memory) có thể truy nhập để đọc. ắ Vùng ch−ơng trình: Là miền bộ nhớ đ−ợc sử dụng để l−u giữ các lệnh trong ch−ơng trình chính. Vùng này thuộc kiểu non-volanle (là vùng nhớ để l−u ch−ơng trình thuộc miền nhớ đọc/ghi đ−ợc mà không bị mất dữ liệu nhờ có giao Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 52 - Khoa Cơ - Điện diện EEPROM) đọc ghi đ−ợc. ắ Vùng tham số: Là vùng l−u giữ các tham số nh− địa chỉ trạm, từ khoá… vùng này thuộc kiểu non - volatile đọc ghi đ−ợc. ắ Vùng dữ liệu: Đ−ợc sử dụng để cất giữ các dữ liệu của ch−ơng trình bao gồm kết qủa, các phép tính, hằng số đ−ợc định nghĩa trong ch−ơng trình, bộ đệm trong truyền thông… nó là miền nhớ động có thể đ−ợc truy cập theo từng bit, từng byte, từng từ đơn hoặc từ kép. Vùng dữ liệu đ−ợc chia làm những miền nhớ nhỏ với những công cụ khác nhau. Chúng đ−ợc ký hiệu bằng các chữ cái đầu tiên của tiếng Anh đặc cho công dụng của chúng. V - Variable memory (miền nhớ) I - Input image register (bộ đệm cổng vào) O - output image register (bộ đệm cổng ra) M - Internal memory bits (vùng nhớ nội) SM - Special memory bits (vùng nhớ đặc biệt) ắ Vùng đối t−ợng: Đ−ợc sử dụng để l−u giữ dữ liệu cho các đối t−ợng lập trình nh− các giá trị tức thời, gi á trị đặt tr−ớc bộ đệm, hay timer. Dữ liệu kiểu đối t−ợng bao gồm các thanh ghi của timer, bộ đếm, các bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào/ra t−ơng tự và các thanh ghi Accumunlator (AC). Vùng này không thuộc kiểu non - volatile nh−ng đọc/ghi đ−ợc và chúng có thể đ−ợc truy cập theo từng bit, từng byte, từng từ đơn hoặc từ kép. 3. Thực hiện ch−ơng trình PLC thực hiện ch−ơng trình theo một chu trình lặp mỗi vòng lặp là một vòng quét (Scan cycle). Mỗi vòng quét đ−ợc bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đếm ảo, tiếp đến là giai đoạn thực hiện ch−ơng trình sau đó là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi, kết thúc vòng quét là giai đoạn chuyển nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng. Trong từng vòng quét ch−ơng trình đ−ợc thực hiện bằng lệnh đầu tiên và lệnh kết thúc tại Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 53 - Khoa Cơ - Điện lệnh kết thúc (MEND). Thời gian quét phụ thuộc độ dài của ch−ơng trình, không phải vòng quét nào thời gian quét cũng bằng nhau mà nó phụ thuộc các lệnh thoả mãn trong ch−ơng trình. Trong thời gian thực hiện vòng quét nếu có tín hiệu báo ngắt ch−ơng trình sẽ dừng lại để thực hiện xử lý ngắt, tín hiệu báo ngắt có thể thực hiện ở bất kỳ giai đoạn nào. Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra. Thông th−ờng các lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua các bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong giai đoạn đầu và cuối do CPU đảm đ−ơng. 3.2.3. Module mở rộng EM231, EM235 [7] Để tăng khả năng của bộ điều khiển trong các ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối t−ợng điều khiển có số l−ợng đầu vào/ra cũng nh− chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ PLC đ−ợc thiết kế không bị cứng hoá về cấu hình, vì vậy chúng bị chia nhỏ thành các module. PLC S7 - 200 có nhiều loại module mở rộng khác nhau. Các module mở rộng vào/ra số hoặc các cổng vào ra t−ơng tự, các tín hiệu đầu ra có thể là điện áp 24VDC hoặc rơle. 2. Thực hiện ch−ơng trình 1. Nhập dữ liệu từ ngoại vi vào bộ đệm ảo 3. Truyền thông và tự kiểm tra lỗi 4. Truyền dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 54 - Khoa Cơ - Điện Bảng 3.2: Một số loại module mở rộng của S7 - 200 Loại Module Số l−ợng đầu vào Số l−ợng đầu ra Tín hiệu đầu vào Tín hiệu đầu ra Kích th−ớc Rộng x cao x sâu (mm) EM221 8 0 24VDC 0 EM222 8 0 0 24VDC 46 x 80 x62 EM223 4 ữ 16 4 ữ 16 24VDC 24VDC (46 ữ 173,3) x 80 x 62 EM231 4 0 Analog 0 71,2 x 80 x62 EM232 0 2 Analog Analog 46 x 80 x 62 EM235 4 1 Analog Analog 71,2 x 80 x62 Hình 3.11: Sơ đồ nối thiết bị vào/ra Module EM231 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 55 - Khoa Cơ - Điện ắ Module đầu vào/ra analog EM231 RTD - Kích th−ớc (dài x rộng x cao): 90 x 80 x 62mm - Khối l−ợng: 0,2kg - Công suất: 2W - 3 đầu vào analog - EM231 RTD thu nhận tín hiệu nhiệt độ d−ới dạng analog dễ dàng với tính chính xác cao bằng việc sử dụng cặp nhiệt ngẫu chuẩn. Đ−ợc thiết kế giống nh− những thiết bị khác của dòng S7 - 22x, chúng đ−ợc liên kết với nhau qua các Bus dữ liệu và đ−ợc đặt trên một giá treo DIN phía bên phải CPU - Kết nối module EM231TC, EM231 RTD: Có thể mắc trực tiếp với S7- 200 hoặc có thể sử dụng dây dẫn phụ có bảo vệ để hạn chế tiếng ồn một cách tốt nhất. Có thể mắc thiết bị EM231 RTD với cảm biến theo 3 cách: 4 dây, 3 dây và 2 dây. Cách chính xác nhất là sử dụng 4 dây, cách ít chính xác nhất là sử dụng 2 dây chỉ đ−ợc sử dụng nếu sai số do mắc dây đ−ợc bỏ qua trong các ứng dụng. ắ Module đầu vào/ra analog EM235 - Đặc tính vật lý: Hình 3.12: Sơ đồ nối thiết bị vào/ra Module EM235 EM235 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 56 - Khoa Cơ - Điện Kích th−ớc (dài x rộng x cao): 90 x 80 x 62mm Khối l−ợng: 0,2kg Công suất tiêu thụ: 2W Số dầu vào/ra: 3 đầu vào analog, 1 đầu ra analog - Đặc tính đầu ra: Dải tín hiệu ra: Điện áp ±10V, dòng điện 0 ữ 20mA Kiểu dữ liệu: L−ỡng cực: - 32000 ữ 32000 và đơn cực: 0 ữ 32000 Thời gian ổn định: Điện áp 100μs, dòng điện 2μs - Đặc tính đầu vào: Dạng đầu vào kiểu vi phân Điện trở vào 100MΩ Điện áp vào cực đại: 30V Dòng điện vào cực đại: 32mA Dòng điện nguồn 5VDC, 70mA từ khối cơ sở Nguồn cung cấp mở rộng: 60mA, cộng với dòng điện ra 20mA từ khối cơ sở hay nguồn mở rộng. ắ Cách sử dụng EM235: - Đảm bảo nguồn cung cấp 24VDC không có nhiễu và ổn định - Điều chỉnh Module - Sử dụng dây cảm biến càng ngắn càng tốt - Nối ngắn mạch những đầu vào không sử dụng - Tránh làm ngập dây - Sử dụng cùng loại cho một tuyến dây Thiết bị RTD cung cấp tín hiệu vào PLC với những giữ liệu cho biết nhiệt độ hoặc điều kiện sai số. Các bit trạng thái cho biết khoảng sai số và tình trạng không hoạt động của thiết bị/nguồn cung cấp đang sử dụng. LEDs cho biết tình trạng của thiết bị. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 57 - Khoa Cơ - Điện ắ Định cấu hình cho EM231: Để định cấu hình cho module EM231 RTD sử dụng công tắc DIP, các công tắc (SW1…SW3) dùng để xác định độ lớn tín hiệu đầu vào Analog. Nên nạp điện theo chu kỳ cho PLC hoặc sử dụng nguồn nuôi 24V Trung tâm nghiên cứu Bò và Đòng cỏ BA Vì Bảng 3.3: Định cấu hình cho Module EM 231 Nguồn đơn cực SW1 SW2 SW3 Độ lớn tín hiệu vào Độ phân giải OFF ON 0 ữ10V 2,5mV 0 ữ 5V 1,25mV ON ON OFF 0ữ 20mA 5μA ắ Định cấu hình cho EM235: Sử dụng công tắc DIP (SW1…SW6) đế xác định các giải pháp tín hiệu vào Analog. Tất cả các đầu vào đ−ợc đặt ở cùng một phạm vi tín hiệu đầu vào Analog. Hình 3.13: Sơ đồ nối thiết bị vào Module EM231TC, Hình 3.14: Sơ đồ nối dây cảm biến RTD Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 58 - Khoa Cơ - Điện Bảng 3.4: Định cấu hình cho Module EM235 Nguồn đơn cực SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 Độ lớn tín hiệu vào Độ phân giải ON OFF OFF ON OFF ON 0 - 50mV 12,5μV OFF ON OFF ON OFF ON 0 - 100mV 25μV ON OFF OFF OFF ON ON 0 - 500mV 125μV OFF ON OFF OFF ON ON 0 - 1V 250μV ON OFF OFF OFF OFF ON 0 - 5V 1,25 mV ON OFF OFF OFF OFF ON 0 - 20mA 5μV OFF ON OFF OFF OFF ON 0 - 10V 2,5 mV Các module EM231 & EM235 có chi phí thấp tốc độ cao 12 bit. Chúng có khả năng chuyển đổi đầu vào analog thành tín hiệu digital t−ơng ứng với 149μs. Quá trình chuyển đổi tín hiệu đầu vào analog đ−ợc thực hiện mỗi khi tín hiệu analog đ−ợc truy cập bởi ch−ơng trình của ng−ời sử dụng. EM231 & EM235 cung cấp tín hiệu digital ch−a đ−ợc xử lý (không lọc hoặc tuyến tính hoá) đúng với điện áp analog hay giá trị thực đ−ợc thể hiện ở các cực đầu vào của thiết bị. Vì là thiết bị tốc độ cao nên chúng có thể thay đổi nhanh chóng theo tín hiệu đầu vào analog. Hình3.15: Bộ định cấu hình DIP cho module EM231, EM235 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 59 - Khoa Cơ - Điện 3.3. Thiết bị nhập - xuất [8] Thiết bị - xuất phổ biến đ−ợc sử dụng trong PLC. Các thiết bị nhập đ−ợc đề cập gồm cả Digital va Analog, chẳng hạn công tắc dò tìm vị trí, các công tắc Proximity, các công tắc quang điện, các bộ mã hoá, các công tắc nhiệt và áp suất, các đồng hồ điện áp, các biến áp vi sai tuyến tính, cá đồng hồ biến dạng, các Tranzistor nhiệt, các cặp nhiệt điện. Các thiết bị xuất gồm rơle thiết bị tiếp xúc, các van Solenoid, và các động cơ. Cảm biến đóng vai trò quạn trọng trong bất kỳ hệ thống điều khiển nào. Nó là cơ quan cảm nhận của bộ điều khiển, cung cấp thông tin về tình trạng của đối t−ợng tới bộ điều khiển để bộ điều khiển có quyết định phù hợp với thực tế. Các bộ cảm biến cung cấp tín hiệu Digital/rời rạc (có - không), các ngõ ra có thể đ−ợc kết nối dễ dàng với cổng nhập của PLC. Bộ cảm biến là thiết bị biến đổi đại l−ợng không điện cần đo thành đại l−ợng điện tỷ lệ với nó. Bất kỳ bộ cảm biến nào đều có tín hiệu vào là một hàm liên tục có tín hiệu vào X, Y = F(x). Trong thực tế để có đ−ợc đặc tính ấy ng−ời ta phải làm thực nghiện để tìm ra mỗi quan hệ giữa X và Y. Mỗi quan hệ này là phi tuyến, nh−ng để nâng cao độ chính xác cho thiết bị đo các nhà sản xuất đã đ−a ra nhiều ph−ơng pháp để phần nào làm giảm các sai số đó. Chúng ta cần l−u ý rằng trong thực tế tín hiệu ra của bộ cảm biến không những phụ thuộc vào X mà còn phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài Z khi đó hàm phi tuyến trở thành Y = F(x,z). ắ Đặc tính của bộ cảm biến - Phải xét đến khả năng thay thế cho các bộ cảm biến. Nghĩa là cảm biến cùng loại có cùng đặc tính nh− nhau, nh− thế mới có khả năng thay thế khi bị h− hỏng và không mắc phải sai số. - Cảm biến phải có đặc tính đơn trị, nghĩa là với hàm Y = F(x), ứng với một giá trị X thì có một giá trị Y t−ơng ứng. Đ−ơng cong bộ cảm biến phải ổn định nghĩa là không thay đổi theo thời gian. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 60 - Khoa Cơ - Điện - Tín hiệu ra của bộ cảm biến th−ờng rất nhỏ, và vậy để tiện cho việc ghép nối dụng cụ đo, hệ thống đo… tín hiệu ra th−ờng phải đ−ợc chuẩn hoá. - Đặc tính quan trọng của bộ cảm biến là sai số. Sai số của bộ cảm biến gồm hai thành phần: + Sai số cơ bản: là sai số gây ra do nguyên tắc cảm biến, từ không hoàn thiện cấu trúc và yếu kém của công nghệ chế tạo. + Sai số phụ: là sai số gây ra do sai số bên ngoài khác với điều kiện tiêu chuẩn. Ví dụ nh− nhiệt độ môi tr−ờng thay đổi sẽ gây ra sai số của cảm biến điện cảm . Vậy để nâng cao độ tin cậy của cảm biến chúng ta cần hiệu chỉnh và thay đổi các thông số sao cho phù hợp với thực tế. - Độ nhạy của cảm biến cũng là một công cụ quan trọng. Nó có tác dụng quyết định đến cấu trúc của mạch, để đảm bảo cho phép đo độ nhạy của những biến động nhỏ của đại l−ợng đo. - Đặc tính động của cảm biến: Khi đại l−ợng đo tác động vào bộ cảm biến th−ờng xuất hiện quá độ. Quá trình này có thể nhanh hay chậm phụ thuộc vào loại cảm biến. Đặc tính này là độ tác động nhanh, nếu độ tác động nhanh chậm tức là phản ứng của tín hiệu ra trễ so với sự thay đổi của tín hiệu vào. Vì vậy, khi lựa chọn cảm biến ta phải l−u ý đến độ tác động nhanh của nó sao cho phù hợp với sự thay đổi với các yêu cầu kỹ thuật của bài toán đặt ra. nếu không giải quyết đ−ợc thì phải có sự tính toán để bù lại những ảnh h−ởng do sự chênh lệch đó gây ra. - Sự tác động ng−ợc lại của cảm biến lên đại l−ợng đo và tiếp đến gây ra sự thay đổi tín hiệu ở đầu ra của cảm biến. Vì vậy khi lắp đặt cảm biến phải tính đến điều này. - Kích th−ớc của cảm biến càng nhỏ càng tốt có nh− vậy mới đ−a cảm biến vào đ−ợc những nơi chật hẹp để đảm đ−ơng đ−ợc những công việc mà con ng−ời không thể thực hiện đ−ợc, hơn thế với kích th−ớc nhỏ độ chính xác càng tốt. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 61 - Khoa Cơ - Điện Ngày nay kỹ thuật cảm biến phát triển rất mạnh có rất nhiều cảm biến đ−ợc sản xuất ra. Để sản xuất ra đ−ợc cảm biến phải có một trình độ cao, nó là sự kết hợp giữa khoa học vật lý, điện tử, hoá học và vật liệu… Tóm lại trong một hệ thống tự động hoá, phần tử cảm biến đóng vai trò quan trọng nó là tai mắt cảm nhận sự thay đổi của đối t−ợng. Nhờ đó mà thực hiện quá trình tự động điều khiển các thông số theo yêu cầu của công nghệ. 3.3.1. Cảm biến nhiệt độ [9] Từ xa x−a con ng−ời đã nhận thức đ−ợc hiện t−ợng nhiệt độ và đánh giá c−ờng độ của nó bằng cách đo nhiệt độ, trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp hiện nay, nhất là ngành công nghiệp nhiệt luyện, chế biến thực phẩm… Vấn đề đo và khống chế nhiệt độ đ−ợc đặc biệt chú trọng vì nó là yếu tố quyết định đến chất l−ợng sản phẩm. Với mục đích thiết kế mô hình điều khiển trong đó có sử dụng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung thuỷ tinh, chúng tôi tiến hành tìm hiểu và thiết kế cảm biến đo nhiệt độ. - Đối t−ợng cần đo: Nhiệt độ lò nung thuỷ tinh - Nhiệm vụ của cảm biến: Đo và khống chế nhiệt độ trong một khoảng xác định - Cảm biến nhiệt sử dụng ghép nối với PLC S7 – 200 Hoạt động của hệ thống: Đối t−ợng nhiệt độ của lò nung thuỷ tinh đ−ợc thu nhận qua cảm biến nhiệt độ chuyển đổi thành tín hiệu điện là tín hiệu Analog và đ−ợc đ−a tới cổng nhập của PLC. Tại đây tín hiệu đ−ợc đọc vào và xử lý để điều khiển, tác động lên đối t−ợng thông qua mạch điều khiển và cơ cấu chấp hành. Nhiệt độ Cảm biến PLC Cơ cấu chấp hành Mạch động lực Hình 3.16: Sơ đồ khối của hệ thống thiết kế Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 62 - Khoa Cơ - Điện Bảng 3.5: Bảng trạng thái của hệ thống điều khiển nhiệt độ Cơ cấu chấp hành Trạng thái đối t−ợng nhiệt độ Loại Trạng thái Nguồn nhiệt Tắt Trạng thái ban đầu của hệ thống Nguồn mát Tắt Nguồn nhiệt Mở TO < = 1100 ± 50C Nguồn mát Tắt Nguồn nhiệt Mở TO >= 1100 ± 5OC Nguồn mát Tắt Cảm biến LM335 là linh kiện để giao tiếp giữa nhiệt độ phòng va PLC. Là cảm biến nhiệt độ loại điốt. Sau đây là thông số kỹ thuật của LM335: - Định thang trực tiếp theo độ Kevil, với độ chính xác 1oC - Điện áp nguồn nuôi 5V - 18V - Dải làm việc ở chế độ liên tục là -40oC - 100oC và ở chế độ không liên tục là 100oC - 125oC. Tại 25oC, IR = 1mA thì Vo = 2,98V ta có: R 98,25 − = 1mA t R = 2,02k, chọn R = 2k ắ Khối biến đổi chuẩn hoá dùng khuyếch đại thuật toán LM358 Ta chọn khoảng làm việc từ 20oC đến 50oC. Đặt mức 0V tại 20oC bằng cách đặt vào đầu trừ của LM 358 một điện áp V1 = (273 + 20).10mV = 2,93V (với 20 ở đây là 20oC phải chuyển sang độ Kevil và nhân với hệ số 10mV/K). Mạch LM 33 5/ TO 92 1.82K +5VDC 10K Vo Hình3.17: Sơ đồ nguyên lý LM335 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Tr−ờng ĐHNNI - Hà Nội - 63 - Khoa Cơ - Điện khuyếch đại thuật toán trên có hệ số khuyếch đại K = 1 2 R R = 10 100 = 10 lần. Nh− vậy tín hiệu vào t−ơng tự t−ơng ứng với khoảng nhiệt độ từ 20oC – 50oC thì t−ơng ứng với giá trị điện áp từ 0V đến 3V. ắ Mạch lặp: Mạch lặp có tác dụng chuẩn hoá, phối hợp trở kháng giữa đầu ra và đầu vào. Với điện áp đàu ra và đầu vào luôn bằng nhau, chỉ khác ở chỗ trở kháng vào lớn trở kháng ra rất nhỏ. Tóm lại mạch lặp có tác dụng ổn định (chuẩn hoá và phối hợp trở kháng). ắ Sơ đồ mạch điện nguyên lý: R2 R1 - + B2 5 6 7 8 4 Vo=R2/R1(V2-V1) R2 V2 V1 +5VDC R1 Hình3.18: Khối biến đổi chuẩn hoá Hình3.19: Sơ đồ nguyên lý LM358 Hình3.20: Sơ đồ mạch nguyên lý cảm biến nhiệt Đồ án tốt ngh